Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований усталостной прочности и ресурса лопастей несущих винтов вертолетов 11
1.1. Основы усталостного разрушения деталей машин 11
1.2. Факторы, влияющие на усталостную прочность 21
1.3. Анализ работ, посвященных механике разрушения и сопротивлению усталости деталей машин 26
1.4. Анализ современных методов для отслеживания точечных особенностей развития трещин 33
1.5. Технологии изготовления лопасти винта вертолета 39
1.5.1 Конструктивные элементы лопасти винта вертолета 40
1.5.2. Контроль качества изготовления лопастей 51
1.6. Анализ особенностей зарождения и развития усталостных трещин в лопастях винтов вертолетов 53
1.7. Ресурсные испытания лопастей винтов вертолета 62
Выводы по главе 1 67
Глава 2. Методика испытаний образцов лопасти несущего винта вертолета для оценки кинетики роста усталостных трещин 69
2.1. Формирование системы усилий для воспроизведения полетного цикла нагружения лопасти винта вертолета 71
2.2. Разработка и создание испытательного стенда для натурных испытаний образцов лопасти винта вертолета 84
2.3. Тензометрия лопасти винта вертолета при ресурсных испытаниях 90
2.4. Контрольно-измерительная система и программное обеспечение для автоматического снятия показаний во время испытаний 92
2.5. Определение характеристик сопротивления усталости лопасти несущего винта вертолета 98
2.6. Обработка экспериментальных данных 101
2.6.1. Построение кривой Веллера 101
2.6.2. Построение семейства кривых распределения долговечности 107
2.6.3. Построение семейства кривых усталости 112
2.6.4. Определение среднего значения предела выносливости и среднеквадратического отклонения 113
Выводы по главе 2 116
Глава 3. Исследование кинетики усталостных трещин для обоснованного продления нормативного назначенного ресурса лопастей несущего винта вертолета 117
3.1. Исследование кинетики усталостных трещин в лопастях несущих винтов вертолетов с применением современных средств видеозаписи 117
3.1.1. Калибровочные методы для исследования развития трещин 120
3.1.2. Усовершенствованный метод автоматической калибровки камеры для детального отслеживания точечных особенностей усталостных трещин в образцах лопасти несущего винта вертолета 120
3.1.2.1. Определение внутренних параметров видеокамеры 126
3.1.2.2. Определение внешних параметров видеокамеры 137
3.2. Обработка экспериментальных видеоданных о развитии трещины в образцах 142
Выводы по главе 3 158
Выводы и заключение по диссертационной работе 159
Список литературы 161
Приложение 175
- Факторы, влияющие на усталостную прочность
- Контрольно-измерительная система и программное обеспечение для автоматического снятия показаний во время испытаний
- Построение семейства кривых распределения долговечности
- Обработка экспериментальных видеоданных о развитии трещины в образцах
Факторы, влияющие на усталостную прочность
Среди основных факторов, влияющих на усталостную прочность, можно выделить такие, как наличие концентраторов напряжений, масштабный фактор, коррозия трения, неудовлетворительное качество обработки поверхности и коррозионная усталость [121, 122]. Названные факторы приводят к более раннему образованию трещин, что существенно сокращает ресурс конструкции и приводит к снижению надежности [125].
Для оценки разности предела выносливости образцов и обычных деталей используется коэффициент К , который отражает воздействие всех факторов на усталостную прочность [121,122,125]: где a_1 - предел выносливости стандартного образца; a_15 - предел выносливости детали. В соединениях, получаемых сваркой, роль концентраторов напряжений могут играть технологические дефекты (непроваренные места, трещины, остаточные растягивающие напряжения в окрестности шва). Кроме того, в переходной зоне шва свойства металла ухудшаются [125]. При изменении площади поперечного сечения детали максимальные напряжения smax, возникающие в данной зоне, будут превосходить номинальные напряжения 5Н. Частное максимального и номинального напряжений определяет теоретические коэффициенты концентрации напряжений: аа = max.
В деталях, работающих в условиях переменного циклического нагружения, должна обеспечиваться достаточная плавность переходов (большие радиусы закругления р), чтобы снизить коэффициенты концентрации напряжений оса [101]. Усталостная прочность зависит от быстроты падения напряжений (с верхним значением аmax) с углублением внутрь детали. Графически это определяется величиной тангенса угла ф наклона касательной к графику напряжений в точке аmax соразмерно производной G = [d 3/dx]x=a, где а расстояние от точки, в которой наблюдается максимальное напряжение, до точки, в которой наблюдается минимум. Кроме того, при расчетах может быть использован относительный градиент напряжений G =1 [da/ck]x=a , который в частных случаях определяется по следующим формулам: -при изгибе
В этих формулах а = 2 для деталей с канавкой и а = 2,3 для деталей со ступенчатыми переходами.
При возрастании напряжений в зоне концентрации предел выносливости детали снижается в соответствующее число раз [101]. Снижение предела выносливости детали из-за влияния концентраторов напряжений может быть оценено эффективным коэффициентом концентрации а=а_!/а_16, где ач предел выносливости образца, в котором отсутствуют концентраторы напряжений, имеющего диаметр d, который соответствует характерному размеру детали (Рис. 1.6).
Коэффициент чувствительности qa(p) меняется в зависимости от значения 5т/ 5в. Коэффициент Ка возрастает с ростом диаметра детали до 40…60 мм, при дальнейшем росте диаметра KQ начинает уменьшаться.
Проблема усталостной прочности путем исследования прочностных свойств поверхностного слоя рассматривалась в исследованиях [2, 117, 136].
Один из вариантов увеличения значения ресурса , роста трещиностойкости заключается в улучшении физических и механических свойств поверхностного слоя. Зарождение и рост усталостных трещин зависит от локальных свойств материала, а также характеристик поверхностного слоя - особенно это касается областей, в которых имеются концентраторы напряжений. Поэтому способы повышения прочности поверхностного слоя деталей - один из наиболее широко распространенных способов увеличения прочностных свойств материалов.
Особое место среди способов технологической обработки поверхностного слоя занимают электромеханическая и лазерная обработка [2,117,136]. Высокая скорость охлаждения при обработке поверхностного слоя лазером имеет дополнительный практический интерес, поскольку позволяет добиться новых комбинаций физических и механических свойств.
Кроме предотвращения возникновения трещин, важной проблемой является удлинение срока службы узлов, в которых уже постепенно развиваются трещины. Имеется в виду создание методов затормаживания роста трещин. Такого затормаживания можно добиться путем изменения напряженно-деформированного состояния в вершине трещины, искусственно создавая сжимающие остаточные напряжения местным температурным воздействием, которого можно добиться применением электромеханической, лазерной или плазменной обработки.
В работе [136] было исследовано влияние упрочнения поверхностного слоя на зарождение и затормаживание трещин усталости. Был сделан вывод: наиболее сильное торможение достигается при обработке лазером регионов, находящихся рядом с вершиной трещины; эффект достигается искусственно созданными сжимающими напряжениями, а не преобразованиями в структуре поверхности. Лазерную или термомеханическую обработку предпочтительно делать по полосам, которые расположены параллельно трещине. Можно значительно увеличить долговечность путем холодной пластической деформации (наклепывания) с дальнейшим закаливанием с использованием токов высокой частоты и отпуском, а также с помощью обработки лазером в регионах, где имеется концентрация напряжений. При обработке лазером максимальный тормозящий эффект достигается при направлении сжимающих напряжений перпендикулярно направлению трещины.
В работе [2] рассматриваются принципы повышения прочности поверхностного слоя металлов с применением направленного энергетического потока (струя плазмы, дуга); раскрыты особенности влияния тепла на динамику преобразований структур и фаз на поверхности металлов. Излагаются итоги исследований физических и механических свойств материалов, подвергшихся упрочняющей обработке (приведены характеристики прочности, сопротивление износу, теплостойкость, остаточные напряжения и др.).
Исследование [117] посвящено исследованию возможностей упрочнения в случаях диспропорции циклических нагружений. Значительное внимание уделено поиску и обоснованному выбору параметра, определяющего непропорциональность нагружения с достаточной степенью адекватности, а также разработке усовершенствованного варианта теории упругопластического деформирования материала, принимая в учет указанный параметр.
Контрольно-измерительная система и программное обеспечение для автоматического снятия показаний во время испытаний
В процессе испытаний контролируемые физические величины измеряются при помощи тензометрических датчиков. Измерительные сигналы преобразуются в цифровой код, обрабатываемый на компьютере и выдаваемый на внешние устройства. Верхний уровень программного обеспечения необходим, чтобы настраивать контроллер, графически отображать процесс испытаний, генерировать и хранить протоколы испытаний. Данный программный комплекс включает в себя следующие модули:
– проверка и настройка;
– калибровка и поверка;
– испытания;
– архив.
Внешний вид главного окна программного обеспечения системы представлен на рисунке 2.25.
Основную часть блока занимает таблица с номерами отображаемых расчетных каналов, единицами измерения величин и показаниями этих каналов (значение и/или динамическая составляющая). Справа от таблицы располагается группа индикаторов пределов выбранного канала в таблице.
Если при испытаниях один или несколько контролируемых каналов выйдут за установленный предел, контроллер автоматически остановит испытание с ошибкой. Для продолжения испытания необходимо сбросить ошибки на контроллере с помощью команды «Сброс ошибок» из меню стенда и снова нажать на кнопку «Пуск». Запуск модуля «Испытание» осуществляется из главного окна программного обеспечения системы с помощью меню стенда. После запуска на экране отобразится окно модуля, представленное на рисунке 2.26. Индикаторы «Тип изделия» и «Заводской номер» отображают сведения об образце, установленном на стенде. Под ними расположена группа индикаторов «Информация текущего испытания». Информация на индикаторах данной группы присутствует только тогда, когда на стенде установлен образец.
Индикатор «Дата начала» отображает дату и время создания записи о текущем образце в базе данных системы. Индикатор «Текущий режим» показывает номер режима испытания. Значение, равное «Д», соответствует режиму доламывания. Таблица «Режим и наработка данного изделия» включает в себя записи о режимах, на которых проводились испытания текущего образца. Под таблицей расположены элементы управления «Новое изделие», «Установить изделие» и «Разрушение изделия». Кнопка «Новое изделие» предназначена для создания в базе данных и установки на испытательный стенд нового образца (Рис. 2.27).
Кнопка «Установить изделие» служит для установки на испытательный стенд образца, испытание которого было приостановлено (Рис. 2.28). Для каждого образца приводятся его тип, заводской номер, дата начала испытания, последний режим испытания и число циклов, испытанных на данном режиме.
Кнопка «Завершить режим» модуля «Испытание изделий» предназначена для завершения испытаний на текущем режиме и перехода к испытаниям на следующем режиме. В случае если образец находился на последнем режиме для данного типа изделий, то вместо кнопки «Завершить режим» на экране будет отображаться кнопка «Завершить испытание», нажатие на которую приведет к завершению испытания данного образца.
Для доступа к архиву испытаний используется модуль «Архив» (Рис. 2.29). Непосредственно после запуска модуля активна только вкладка «Поиск», с помощью которой можно найти конкретный образец, проходивший испытания.
Запуск процесса поиска образцов осуществляется нажатием на кнопку «Выполнить поиск». Результаты поиска отобразятся в таблице «Таблица найденных образцов».
В данной таблице отображается время начала и конца испытаний, а также текущий статус, тип, номер образца и число регистраций. Если испытание не было завершено, то поле «Дата окончания» останется пустым.
Таблица «Наработка образца» отображает все режимы испытаний, числа циклов, достигнутые на режимах, время начала испытаний на режиме и суммарное затраченное время для набора этого количества циклов. Если образец разрушился, то индикатор «Характеристика места разрушения» отображает информацию, введенную оператором системы при фиксировании факта разрушения. Если разрушения не было, то поле индикатора «Характеристика места разрушения» пусто.
В таблице «Таблица регистраций выбранного изделия» отображаются регистрации выбранного образца с учетом фильтра регистраций. После нажатия на кнопку «Просмотреть регистрацию» данные считываются из базы регистраций и происходит автоматическое переключение на вкладку «Графики» (Рис. 2.30), где в виде графической зависимости отображаются сигналы, сохраненные в просматриваемой регистрации.
Кроме построения графиков, имеется возможность построения эпюр распределения напряжения и изгибающих моментов по длине образца. Построение выполняется после нажатия на кнопку «Построить эпюры». При построении эпюр можно включить функцию интерполяции, а также проводить точечный анализ эпюр с помощью панели кнопочного перемещения курсора.
Для определения скорости роста трещины в образце во время испытаний проводится видеосъемка (Рис. 2.31).
Построение семейства кривых распределения долговечности
Предел выносливости a_1 и долговечность N - случайные величины. Им свойственны большие значения дисперсии даже в случае испытаний одинаковых образцов из материала одной и той же выплавки [130]. Для разных плавок рассеяние становится еще больше из-за небольшой разницы в химическом составе металла разных плавок и других технологических факторов. Даже в пределах одной партии образцов имеются различия в условиях их термической и механической обработки, точности задания нагрузок на испытательном стенде [114]. С другой стороны, причинами рассеяния становятся различия в микроструктуре, микрогеометрии, свойствах поверхностного слоя. Поскольку зарождение трещин происходит в местах структурных дефектов, которые неравномерно распределяются по объему образца, то процесс усталости материала имеет статистическую природу, являющуюся одной из главных причин возникновения дисперсии характеристик выносливости [77].
При исследовании закономерностей дисперсии характеристик выносливости из металла одной плавки изготавливается большое количество образцов, которые проходят испытания на сопротивление усталости при нескольких уровнях напряжений. В рамках данной работы проводились испытания 58 образцов лопастей на 4 уровнях напряжений: 100±2, 85±1,7, 75±1,5 и 55±1,1 МПа. Результаты испытаний при постоянном уровне напряжения располагают в вариационный ряд в возрастающем порядке [113]
На основе данного ряда происходит дальнейшая статистическая обработка для определения функции распределения случайной величины X = lg N [80].
При построении графиков по горизонтальной оси откладываются значения количества циклов до разрушения образцов N (lgiV), а по вертикальной оси значения вероятности разрушения (накопленные частоты), определяемые из выражения где / - номер образца в ряду (2.2), п - число образцов на данном уровне (п = 58). В Таблице 16 приведены вариационные ряды для выборок образцов на четырех уровнях напряжения (атах =100 ±2 МПа - 17 образцов из 58, Ятах = 85 ± 1,7 МПа - 10 образцов из 58, атах = 75 ± 1,5 МПа - 16 образцов из 58, G max = 55 ± 1,1 МПа - 11 образцов из 58).
На рисунке 2.38 приведено семейство кривых распределения долговечности (полная вероятностная диаграмма усталости) в координатах Q-N с параметром атах построенное по данным Таблицы 16.
Промежуточные результаты вычислений для четырех уровней напряжения представлены в Таблице 17.
Итоговые значения указанных величин для каждого из четырех уровней представлены в Таблице 18.
Пересечение кривых 1 и 2 на рисунке 2.38 означает, что при напряжениях 100 и 85 МПа максимальная долговечность образцов одинакова, а минимальная при амплитуде 85 МПа больше, чем при 100 МПа.
Отсюда можно сделать следующие выводы:
- разброс долговечностей при отах =100 МПа больше, чем при атах= 75 МПа: разность между максимальным и минимальным значением составляет 9,61-10 циклов для зтах =100 МПа и 6,38-10 циклов для атах = 85 МПа . Таким образом, при более высоком уровне напряжений образцы начинают ломаться раньше, чем при низком;
- поскольку максимальная долговечность на этих двух уровнях примерно одинакова и составляет 1,17-10 циклов при зтах =100 МПа и 1,2-10 циклов 112 при атах = 85 МПа, то при амплитудах напряжений в диапазоне 85-100МПа максимальная долговечность образцов будет находиться в районе (1,18 —1,19)-107 циклов.
Обработка экспериментальных видеоданных о развитии трещины в образцах
После обнаружения трещины начиналась съемка ее роста в образце. Пример последовательности кадров из такой видеозаписи приведен на рисунке 3.14, где положение трещины показано стрелкой. Финальный кадр соответствует моменту разрушения образца – разделению его на две части.
На рисунках 3.15 и 3.16 показаны образцы, разрушившиеся в ходе испытаний.
С целью определения скорости роста трещин была разработана компьютерная программа для обработки видеозаписи, в которой каждой найденной трещине соответствует отдельная запись во внутренней базе данных программы. После загрузки файла в программу запись была разделена на отдельные кадры. Каждый кадр был бинаризован (преобразован из цветного в черно-белый). Порог бинаризации выбран таким образом, чтобы область трещины на кадре осталась черной, а все прочие пиксели стали белыми. Пример полученного в результате бинаризации изображения приведен на рисунке 3.17.
Для каждого бинаризованного кадра создана матрица F, состоящая из нулей и единиц (Рис. 3.17), где нулям соответствуют белые пиксели фона, а единицам - черные пиксели трещины. Эта матрица была подвергнута поэлементной обработке.
Пусть f(n1n2) - произвольный элемент матрицы, не относящийся к крайней левой строке и крайнему верхнему столбцу матрицы. Этот элемент может иметь значение либо 0, либо 1.
Если f(n1,n2) = 0, то данный элемент соответствует пикселю фона и не относится к какой-либо трещине. Он пропускается и рассматривается следующий элемент. Если /(щ,п2) = 1, то элемент соответствует пикселю трещины. Здесь возможны два случая: или это пиксель новой обнаруженной трещины, или он принадлежит к трещине, которая уже была найдена ранее в процессе обработки матрицы. Чтобы это понять, анализируются соседние элементы матрицы -/(«1 -1,и2) (строкой выше) и f(n1,n2 -1) (столбцом левее). Обозначим элемент /(«1 -1,и2) словом top, а элемент f(n1n2-1) словом left (Рис. 3.17). Значения left и top могут быть следующими (Рис. 3.18):
а) left = top = 0. Найден первый пиксель новой трещины. Создается новая запись в базе данных для найденной трещины, ее начальная площадь на изображении приравнивается одному пикселю;
б) left = 1; top = 0. Текущий элемент соответствует пикселю, который принадлежит к ранее найденной трещине, к которой принадлежит и пиксель, соответствующий элементу left. Текущий элемент присоединяется к соответствующей записи в базе данных, площадь трещины возрастает на единицу;
в) left = 0; top = 1. Текущий элемент соответствует пикселю, который принадлежит к ранее найденной трещине, к которой принадлежит и пиксель, соответствующий элементу top. Текущий элемент присоединяется к соответствующей записи в базе данных, площадь трещины возрастает на единицу;
г) left = top = 1. В таком случае анализируются сами элементы left и top.
Если они соответствуют пикселям одной и той же трещины, то текущий элемент присоединяется к той же записи. Если left и top соответствуют пикселям разных трещин, то соответствующие записи в базе данных объединяются в одну, и к ней присоединяется текущий элемент.
Для каждого элемента крайней верхней строки матрицы элемент top считается равным 0; для каждого элемента крайнего левого столбца матрицы элемент left считается равным 0. Для элемента f(1,1) из левого верхнего угла матрицы, с которого начинается обработка матрицы, и элемент left, и элемент top полагаются равными 0. Соответственно, если сам этот элемент равен 0, то его пропускают и переходят к рассмотрению следующего элемента; если f(1,1) = 1, то создается новая запись в базе данных, как для первого пикселя вновь обнаруженной трещины.
После обработки всей матрицы в базе данных содержатся сведения обо всех найденных на кадре трещинах. Эти записи прошли обработку, по результатам которой были определены основные параметры трещин - длина, ширина, крайние точки, центр тяжести [52].
Трещина разделена на отдельные фрагменты, у каждого из которых найден центр тяжести. Суммируя между собой длины отрезков, соединяющих центры тяжести, определена длина трещины - ломаная, делящая трещину вдоль напополам (Рис. 3.19).
Ширина трещины определяется как длина (между краями трещины) отрезка, удовлетворяющего следующим условиям:
- данный отрезок должен быть нормален к отрезку, соединяющему две крайние удаленные точки трещины;
- данный отрезок должен проходить через центр тяжести трещины.
В процессе обработки видеозаписи возникает проблема определения соответствия трещин друг другу на разных кадрах. Иначе говоря, необходимо установить критерии, по которым программа может сделать вывод, что трещина В на п -м кадре видеозаписи и трещина А на п -1 -м кадре - это одна и та же трещина. В качестве таких критериев приняты следующие условия