Введение к работе
Актуальность исследований. В условиях острой конкуренции на рынке и интенсивной эксплуатации авиационной техники, происходит постоянное сокращение объемов экспериментальных данных, сроков ее ввода в эксплуатацию. Это в полной мере относится к авиационным колесам. Как следствие, запуск изделия в серийное производство предшествует необходимому анализу влияния технологии на изменения эксплуатационных свойств изделия. Необходимая последующая корректировка технологии опаздывает до выпуска опытной партии продукции.
Уровень современных расчетно-экспериментальных методов, связывающих эксплуатационные свойства, а именно, сопротивление усталости и живучесть авиационных колес с условиями нагружения, механическими свойствами полуфабрикатов, не достаточен для полного учёта факторов, влияющих на эти свойства. Разработка методологии, охватывающей комплекс методов оценивания сопротивления усталости и живучести авиационных колес, позволяет значительно сократить сроки их ввода в эксплуатацию.
Одним из важнейших подходов расчетно-экспериментального обоснования долговечности элементов конструкций авиационной техники, в том числе авиационных колёс, является применение статистических теорий прочности, предназначенных для прогнозирования долговечности по результатам испытаний образцов при ограниченных объемах натурных испытаний с последующим их сокращением.
Статистические теории, описывающие сопротивление элементов конструкций усталости требуют экспериментального определения параметров, которые изменяются в связи с вариацией свойств полуфабриката, геометрии конструкции, условий эксплуатации. Комплексное развитие, систематическое совершенствование и использование моделей этих теорий, в рамках единой методологии, позволяют, начиная с этапа проектирования, получить предварительные оценки их (моделей) параметров, характеристик эксплуатационных свойств изделия, а затем поэтапно приблизиться к их реальным значениям. При этом происходит накопление и обобщение априорной информации, которую можно использовать для изделий другого типа, но изготовленных из того же сплава, по той же технологии, что позволяет также сокращать сроки ввода изделий в эксплуатацию.
Существуют элементы конструкций (например, лопатки двигателей, корпуса плунжерных насосов и гидроагрегатов и т.п.), эксплуатация которых с усталостными трещинами исключена. Оценка их безопасного ресурса, получаемая с использованием статистических теорий прочности, по оценкам долговечности до момента зарождения усталостных трещин является актуальной задачей, значение которой возрастает по мере расширения использования таких механических систем в различных отраслях народного хозяйства. Однако до практического применения доведены только методы, использующие статистическую теорию наиболее слабого звена, имеющую ограничения. "Снятие" этих ограничений требует использования более общих теорий таких, как статистическая теория усталостной прочности металлов и статистическая теория микроскопически неоднородной среды, развиваемых в данной работе. Эти теории создавались почти одновременно со статистической теорией наиболее слабого звена, но обладали более сложным математическим аппаратом, использование которого во времена их создания в инженерной практике было невозможно. Современный уровень развития вычислительной техники, методов обработки результатов испытаний, анализа напряженно-деформированного состояния, позволяют использовать, развивать и внедрять в инженерную практику эти теории.
В ряде элементов конструкций транспортных средств (панели обшивки планера самолета, барабаны авиационных колес, диски автомобильных колес) возможно появление усталостных трещин до ближайшего осмотра, с последующей их заменой или ремонтом. В этом случае не вырабатывается индивидуальная долговечность каждого элемента конструкции, что приводит к большим экономическим потерям. Их эксплуатация по принципу допустимости повреждения, позволяет использовать не выработанную индивидуальную долговечность каждого изделия, и, как следствие, целого парка однотипных изделий с соответствующим экономическим эффектом без снижения уровня безопасности.
Эксплуатация таких элементов может быть осуществлена при достаточной их эксплуатационной живучести, обеспечиваемой характеристиками трещиностойкости сплавов, методы оценивания которых развиваются в данной работе.
Существующие всегда экономические трудности и ограниченные сроки отработки изделий на эксплуатационных режимах нагружения требуют создания методов ускоренной оценки сопротивления усталости и трещиностойкости сплавов. В данной работе даны предложения, использующие статистические теории прочности при оценке сопротивления усталости, опирающиеся не только на форсирование испытаний, но и на учёт априорной информации в виде результатов испытаний образцов различного типоразмера, а также результатов ранее выполненных испытаний прототипов и аналогов авиационных колес. Это является значительным резервом для разработки методологии оценивания сопротивления усталости элементов конструкций различного назначения, поскольку в отраслях народного хозяйства применение методик оценки сопротивления усталости, базирующихся на статистических теориях прочности, ограничено.
В соответствии с Методами Определения Соответствия (МОС) нормативным требованиям АП25.571 обеспечение безопасности конструкции по условиям прочности при длительной эксплуатации осуществляется путем использования одного из трёх принципов: допустимость повреждения, безопасность разрушения (повреждения) и безопасный ресурс (срок службы). Учет этих принципов требует создания оптимизационных математических моделей их обоснованного выбора, учитывающего параметры сопротивления усталости и эксплуатационной живучести, отражающие конструкционные, технологические и эксплуатационные особенности элементов конструкций, в том числе авиационных колес. В данной работе разработаны оптимизационные модели, учитывающие нормативные требования и позволяющие на этапе проектирования элемента конструкции обосновать параметры его эксплуатации.
С развитием технологии алюминиевого литья оно успешно конкурирует со штамповкой в изготовлении дисков автомобильных колес. Для обеспечения конкурентоспособности диски должны удовлетворять требованиям прочности, весовой отдачи и дизайна. Поскольку характеристики механических свойств литейных сплавов существенно связаны с их структурой, распределением материала по объему колеса, то вопросы параметрической оценки связи структуры с механическими свойствами сплавов, и, как следствие, эксплуатационными свойствами дисков становятся актуальными. В такой ситуации эффективно использование методологии, использующей статистические теории прочности, применяемые при расчетах сопротивления усталости барабанов авиационных колес. При этом необходимо учитывать нормативные требования к автомобильным колёсам, изложенные в ГОСТ(е) Р 50511-93, особенности конструкций и условий эксплуатации дисков автомобильных колес с целью обеспечения их сопротивления усталости, а также сопротивления косому удару.
Данная работа проводилась в соответствии с:
- планом тематической работы Департамента авиационной промышленности "Разработка новых высокотехнологичных методов поверхностного упрочнения авиационных колес";
- программой совместных исследований АООТ ВИЛС, АО "Диск", ВИАМ и АО АК "Рубин" по определению возможности использования алюминиевых сплавов типа 1420 и 1965 для колес, преимущественно авиационных;
- планом конкурса ГРАНТ(ов) МГАТУ им. К.Э. Циолковского 1993 года по разделу "Технологические проблемы производства изделий аэрокосмической техники из современных конструкционных материалов".
Материалы работы использованы в рамках ГНТП "Безопасность" (ИМАШ РАН) по проектам 1.5, 1.7, 1.14, а также ГНТП фундаментальных исследований «Механика деформируемого тела и сред» (Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова);
Экспериментальные и теоретические исследования проводились также в рамках выполнения хоздоговорных работ МАТИ им. К.Э. Циолковского, где автор принимал участие в качестве исполнителя, ответственного исполнителя, научного руководителя темы, с организациями и фирмами, участвующими в проектировании, изготовлении, отработке, испытаниях сплавов и изделий авиационной техники. В том числе: ОАО «Авиационная корпорация "Рубин, АОЗТ "Тантал", АОЗТ "Диск", СибНИА, МЗ "Ступино".
Таким образом, тему диссертационной работы, посвященной разработке методологии оценивания характеристик сопротивления усталости и живучести колес транспортных средств, следует считать актуальной.
Целью работы является разработка методологии оценивания характеристик сопротивления усталости и живучести колес транспортных средств с помощью комплекса расчетно-экспериментальных методов, позволяющего значительно сократить сроки ввода в эксплуатацию элементов конструкций авиационной техники из легких сплавов, подверженных переменным нагрузкам.
Поставленная цель достигается решением следующих задач.
- Проведение экспериментальных исследований статической прочности, сопротивления усталости, статической и циклической трещиностойкости образцов, моделей-имитаторов и элементов конструкций из легких сплавов для расчета параметров моделей сопротивления усталости и живучести колес транспортных средств.
- Разработка методик обоснования индивидуальных квантильных кривых усталости колес транспортных средств с использованием априорной информации, базирующейся на результатах проведенных испытаний и математических моделях статистических теорий наиболее слабого звена, усталостной прочности металлов.
- Разработка методики прогнозирования сопротивления усталости и живучести, упрочненных поверхностно-пластическим деформированием колес транспортных средств, базирующейся на результатах усталостных испытаний образцов и математической модели статистической теории микроскопически неоднородной среды.
- Разработка метода исследования нагруженности колес транспортных средств, основанного на экспериментально полученной эпюре контактных давлений в зоне шина-обод колеса, предназначенной для моделирования граничных условий в задачах исследования напряженно-деформированного состояния с помощью метода конечных элементов.
- Разработка комплексного метода оценки сопротивления колес усталости и удару.
- Разработка метода оценки живучести и оптимальных сроков проведения контрольных проверок авиационных колес.
Методы исследования, использованные в работе.
Статистическое моделирование на ПЭВМ результатов испытаний с целью анализа функций распределения долговечности и живучести элементов конструкций, поведения их параметров в связи с конструктивными, технологическими и эксплуатационными изменениями.
Испытания лабораторных образцов, моделей-имитаторов и элементов конструкций, проведенные лично или при участии автора. Все объекты исследований изготовлены в соответствии с существующими стандартами, по типовым технологическим процессам в условиях серийного авиационного производства из материалов, поставляемых для отрасли, и обладали свойствами, присущими авиационным конструкциям. Испытания образцов, моделей-имитаторов и элементов конструкций осуществлялись на машинах: МУИ6000, НУ2Б, МВП10000, УВ70200, МИР5, МИР20, FP100, ZDM10/90, электромагнитных установках, вибростендах, маятниковом копре, пульсаторах, обкатных стендах и станах.
Математическое моделирование с целью оценивания параметров моделей на основе методов максимального правдоподобия и наименьших квадратов, а также для автоматизации процесса анализа наблюдаемых экспериментальных данных.
Тензометрия и метод конечных элементов для анализа напряженно-деформированного состояния образцов, моделей-имитаторов и конструктивных элементов, с целью использования его результатов при оптимизации геометрии конструктивных элементов по параметрам эксплуатации.
Научная новизна работы состоит в разработке:
- методик обоснования индивидуальных квантильных кривых усталости расчетных зон колес транспортных средств с учетом опытных данных и априорной информации, базирующихся на результатах усталостных испытаний образцов и математических моделях статистических теорий наиболее слабого звена, усталостной прочности металлов и позволяющих обосновать нижние границы ресурса колес транспортных средств;
- методики прогнозирования сопротивления усталости и живучести, упрочненных поверхностно-пластическим деформированием колес транспортных средств, базирующейся на результатах усталостных испытаний образцов и математической модели статистической теории микроскопически неоднородной среды, учитывающей изменения асимметрии цикла напряжений в расчетных зонах элемента конструкции и позволяющей значительно уточнить влияние поверхностного пластического деформирования на сопротивление усталости и живучесть изделия;
- методики определения эпюры контактных давлений в зоне шина-обод барабана авиационного и диска автомобильного колеса, предназначенной для моделирования граничных условий в задачах исследования напряженно-деформированного состояния с помощью метода конечных элементов;
- метода исследования нагруженности колес транспортных средств, основанного на экспериментально полученной эпюре контактных давлений, значительно расширяющего сферу применения полученных результатов, поэтапно заменяя традиционную тензометрию;
- комплексного метода оценки сопротивления колес усталости и удару. Метод базируется на аналитической модели, анализе напряженно-деформированного состояния, результатах статических и динамических испытаний образцов и позволяет значительно сократить объемы и сроки натурных испытаний;
- метода расчета живучести и оптимальных, с точки зрения надежности и экономичности, сроков проведения контрольных проверок авиационных колес. Метод базируется на вероятностных оптимизационных моделях состояния парка изделий, экспериментальных результатах испытаний образцов, а также априорной информации, поступающей из эксплуатации и позволяет оптимизировать затраты на разработку и эксплуатацию изделия.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Статистические оценки характеристик сопротивления усталости и трещиностойкости легких конструкционных сплавов АК4-1, ВД17, АВ, АК6, Д16, МА14, в томе числе оценки параметров подобия усталостного разрушения, коэффициента чувствительности к концентрации напряжений, накопленной повреждаемости, отношения пределов выносливости при плоском и одноосном напряженных состояниях, коэффициента чувствительности к асимметрии цикла напряжений при кручении, порогового размаха и критического коэффициента интенсивности напряжений исследованных сплавов.
2. Методы расчетно-экспериментальной оценки характеристик сопротивления усталости колес транспортных средств, базирующиеся на статистических теориях наиболее слабого звена, сопротивления усталости металлов, микроскопически неоднородной среды и оценках параметров разработанных математических моделей.
3.Экспериментально установленные закономерности по оценке влияния перегрузки (в 1,52 раза), изменения режимов обработки при виброупрочнении, нагрева барабана авиационного колеса при аварийном торможении, на их долговечность.
4. Расчетно-экспериментальные модели, предназначенные для комплексной оценки сопротивления усталости, удару, а также оценки живучести колес транспортных средств, позволяющие:
прогнозировать точечные и интервальные оценки квантильных кривых усталости колес; влияние поверхностного пластического деформирования на сопротивление усталости и живучесть колес; равнопрочность различных зон барабанов колес;
оценивать:
- условия совместного выполнения требований к сопротивлению усталости и удару колес;
- сопротивление усталости колеса по результатам испытаний на косой удар;
живучесть колес с учетом параметров кинетических моделей, субъективного фактора, автоматизации контроля, ошибок оценки трещиностойкости, методологических особенностей расчета коэффициента интенсивности напряжений и скорости роста трещин;
- стабильность механических свойств полуфабрикатов по критериям сопротивления усталости и трещиностойкости путем сравнения результатов текущих испытаний образцов с эталонными значениями, полученными расчетом или по результатам априорных данных.
5. Модели оптимизации параметров эксплуатации авиационных колес при использовании одного из трех принципов обеспечении безопасности конструкции по условиям прочности: допустимость повреждения, безопасность повреждения и безопасный ресурс, а также модель оценки стабильности механических свойств полуфабрикатов, позволяющая обосновать целесообразность определения их сопротивления усталости до изготовления изделий. Модели позволяют: обосновать параметры эксплуатации с учетом принципов обеспечении безопасности конструкции по условиям прочности; обосновать правила эксплуатации за весь срок службы парка изделий; проектировать изделие, ориентируясь на конкретное сочетание параметров эксплуатации.
Практическую значимость работы представляют:
- 12 актов внедрения, представленных в приложении 1;
- результаты экспериментальных исследованийстатической прочности, сопротивления усталости, статической и циклической трещиностойкости образцов, моделей-имитаторов и элементов конструкций из сплавов АК6, АК4-1, Д1, которые служат основой для расчета параметров моделей сопротивления усталости и живучести, периодичности контрольных проверок при эксплуатации изделий;
- комплекс нормативно-технических документов, включающий методы: виброупрочнения; оценки нагруженности, сопротивления усталости и живучести колес транспортных средств; получения эпюр контактных давлений; конечно-элементного анализа; обеспечения стабильности механических свойств полуфабрикатов по критериям сопротивления усталости и трещиностойкости; оптимизации геометрии барабанов авиационных и дисков автомобильных колес. Подготовлено 52 документа, представленных в приложении 2, в том числе: «Справочник конструктора по расчету авиационных колес и тормозов», 80Т-910, 1993г; «Методика оценки качества штамповок», 80Т-916, 1993г; «Методика установления ресурса авиационных колес по условиям сопротивления усталости», 80Т-934, 1995г; «Регламент системы эксплуатации колес по техническому состоянию»,80Т-941,1995г; «Анализ напряженно-деформированного состояния барабана колеса КТ204 в сборе по результатам анализа методом конечных элементов», 80Т-949, 1995г; «Методика виброупрочнения дисковой зоны барабана авиаколеса», 80Т–950, 1995г; «Методика местного нагрева ступиц колёс», 80Т-955, 1996г; «Методика расчета колеса КТ204 с применением метода конечных элементов», 80Т-961,1996г; «Анализ напряженно-деформированного состояния мотоциклетного модифицированного колеса», 80Т-966, 1996г; «Методика определения ресурса стяжных болтов авиационного колеса», 80Т-967,1996г; «Методика определения усилия затяжки болтового стыка колеса», 80Т-969, 1996г; «Методика оценивания надежности авиационных колёс», 80Т-973, 1997г; «Анализ напряженно-деформированного состояния барабана автомобильного колеса фирмы Desmond CO/LTD», 80Т-978, 1997г; «Оценка качества штамповок», 80Т-980, 1997г; «Формирование эпюр контактных давлений авиационного колеса», 80Т-984, 1997г; «Анализ усталостной прочности, расчет и обоснование ресурса авиационного колеса», 80Т-989, 1997г; «Расчет надежности колеса не тормозного КН47», 80Т-990, 1997г; «Обоснование показателей кривой усталости колеса RUB.0010», 80Т-992, 1997г; «Расчетно-экспериментальный метод нормирования передачи усилия от шины колеса на его ободную часть", 80Т-999, 1998г; «Оценка возможности моделирования шины для прочностных расчетов барабанов авиационных колес», 80Т-1009, 1998г; «Создание методологии оптимального проектирования и эксплуатации болтовых соединений», 80Т-1014, 1999г; «Методика оценки характеристик сопротивления усталости элементов конструкций, работающих в условиях асимметричного цикла нагружения», 80Т–1023, 2000г; «Методика оценки трещиностойкости авиационных колес», 80Т-1029, 2000г; «Сравнение нагруженности барабанов колес при применении различных типов шин», 80Т-1038, 2001; «Методика пересчета контактных давлений на контактные давления модели барабана колеса», 80Т-1040, 2001г; «Распределение температурных полей в авиационном колесе», 80Т-1105, 2006г.
Достоверность научных выводов и рекомендаций подтверждена.
Удовлетворительным совпадением расчетных оценок с экспериментальными данными, полученными при испытаниях, как лабораторных образцов, так и натурных изделий. Применением апробированных методов механики сплошных сред и вычислительной математики. Сравнением полученных результатов с результатами исследований других авторов. Применением аттестованного оборудования при испытаниях. Применением статистических методов обработки результатов испытаний. Испытаниями и безопасной эксплуатацией авиационных колес, которые обеспечены разработанными методами и методиками оценки их ресурса. Данными тензометрии и результатами расчета тестовых примеров, имеющих точное аналитическое решение, полученное методами теории упругости.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на различных международных, всесоюзных, республиканских и отраслевых конференциях, симпозиумах и коллоквиумах, в том числе:
- VIII-ой Всесоюзной конференции по усталости металлов (Москва, 1982г);
- IV-ом Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость, механика разрушения и живучесть материалов" (Краснодар, 1983г);
- II-ом Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, 1985г);
- Международной конференции по усталости металлов (Прага, ЧССР, 1985г);
- II-ой Всесоюзной НТК "Современные проблемы строительной механики и прочности ЛА" (Куйбышев, КуАИ, 1986г);
- I-ом Международной конференции по механике разрушения (Прага, ЧССР, 1987г);
- I-ой Всесоюзной НТК "Механика разрушения материалов" (Львов, 1987г);
- I-ой Международной НТК "Молодые ученые в решении комплексной программы научно-технического прогресса стран членов СЭВ" (Киев, КПИ, 1989г);
- III-ем Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир,1990г);
- XI-ом Международном коллоквиуме "Механическая усталость металлов" (Киев, ИПП АН УССР, 1992г);
- Международном симпозиуме "Механика деформируемого твердого тела", (Санкт-Петербург, 1994 г.);
- Международном научном симпозиуме, посвященном 140-летию МГТУ «МАМИ» (23-24 марта 2005г);
- Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение-2009» (25-26 марта 2009г, МГТУ-«МАМИ»);
- Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ», (17 ноября 2010г, МГАТУ «МАМИ").
Публикации. По теме диссертации опубликовано 89 работ, из них 23 печатных работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 15 печатных работ – в международных научно-технических изданиях и одни методические указания Госстандарта СССР. Получено одно авторское свидетельство на изобретение. Материалы диссертации были представлены на 22-х Всероссийских конференциях, коллоквиумах и симпозиумах, а также на ВДНХ СССР и в 26 отчетах по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит их введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 236 наименований. Она содержит 388 страниц основного текста, 129 рисунков, 45 таблиц и приложения на 40 страницах, где приведены документы, подтверждающие внедрение и практическое значение результатов работы.
