Введение к работе
Актуальной задачей развития технической эксплуатации авиационной техники в Российской Федерации на современном этапе является разработка новых концепций и систем технического обслуживания и ремонта (ГОиР), ориентированных на более полный учет связи между процессами повреждаемости конструкций, процессами поддержания и восстановления их работоспособности и обеспечения эксплуатационной надежности. Одним из важнейших требований, предъявляемых к конструкции летательных аппаратов, является требование прочностной надежности. Из различных видов отказов по критериям прочности наиболее сложными и трудно прогнозируемыми являются отказы вследствие постепенного накопления повреждений под действием циклических напряжений и, в частности, отказы по критериям сопротивления многоцикловой усталости. Обеспечение эксплуатационной надежности авиационных конструкций по критериям многоцикловой усталости базируется на изучении закономерностей циклической повреждаемости и обеспечивается сочетанием расчетных и экспериментальных методов. Расчетные методы основываются, с одной стороны, на общих положениях теории сопротивления усталости, а, с другой стороны, на учете конструктивно-технологических особенностей летательных аппаратов и специфики условий эксплуатации.
Большой вклад в разработку теоретических основ
инженерных расчетов при циклических напряжениях внесли
отечественные ученые: И.А.Одинг, С.В.Серенсен,
Н.Н.Давиденков, Я.Б.Фридман, И.В. Кудрявцев, Н.Н. Афанасьев,
С.Д.Волков, В.В.Болотин, Л.М. Школьник, В.Т.Трощенко,
С.Я. Ярема, B.C. Иванова, И.А. Биргер, Р.М.Шнейдерович, В.П. Когаев, Н.А. Махутов, А.П. Гусенков, А.Н.Романов, Г.П. Черепанов и др.
Применительно к авиационным конструкциям и материалам следует отметить работы: Н.И.Марина, И.В.Ананьева, А.Ф.Селихова, В.Л. Райхера, А.З. Воробьева, В.В. Сулимеикова, В.Н. Стебенева, Г.И. Нестеренко, Р.В. Сакача, И.А. Биргера, Б.Ф. Балашова, Р.А. Дульнева, А.Н. Петухова, P.P. Мавлютова, Б.В. Бойцова, СИ. Кишкияой, П.Г. Микляева, В.Г. Кудряшова, Б.И. Олькина, Г.А. Григорьева и др.
Вероятностно-статистические методы оценки свойств материалов и циклической долговечности конструкций развиты в работах: С.В.Серенсена, Д.НЛ'ешетова, В.В .Болотина, И.А.Биргера, В.П.Когаева, М.Н.Степнова, В.Г.Буглова, Л.А.Козлова, И.В.Якобсона, Х.Б.Кордонского, КХМЛарамонова, Т.А.Француза, В.Л.Райхера, Б.В.Бойцова, Л.В.Коновалова, С.Д.Дмитриченко, Ю.Н.Благовещенского, А.С.Гусева, Л.В.Агамирова и др.
Изучснюо физической природы усталостных явлений, разработке вопросов подобия процессов циклической повреждаемости посвящены работы: И.А.Одиига, Я.Б.Фридмана, В.С.Ивановой, С.И.Кншкиной, А.АЛІІанявского, В.Ф.Тереитьева, Т.А.Гордеевой, И.П.Жегиной и др.
Влияние технологических методов упрочнения на сопротивление материалов и элементов конструкций усталости изучалось в работах Н.Н.Давиденкова, С.В.Серенсена, И.В.Кудрявцева, И.А.Биргера, С.И.Кишкиной, И.А.Одиига, М.Н.Степнова, Б.Е.Авчишшкова, Н.А.Бородина, СЛИванова, В.Ф-Павлова н многих других исследователей.
Несмотря на значительные достижения в обеспечении надежности авиационных конструкций по критериям сопротивления многоцикловой усталости задача более глубокого изучения процессов эксплуатационной циклической повреждаемости продолжает оставаться одной из главных, в частности, в связи с реализацией новых концепций и систем ТОиР авиационной техники, широкого внедрения при проектировании летательных аппаратов концепции "безопасно повреждаемой конструкции". Один из путей совершенствования методов оценки и прогнозирования циклической повреждаемости элементов авиационных конструкций заключается в более полном учете влияния всего спектра эксплуатационных и технологических воздействий на характер и интенсивность процессов, определяющих циклическую повреждаемость в критических по усталости зонах. В процессе производства, эксплуатации и ремонта элементы конструкции летательных аппаратов испытывают воздействия различного характера и разной интенсивности. Свойства материалов могут изменяться вследствие накопления усталостных и коррозионных повреждений, структурных изменений, перегрузок. Ползучесть, перегрузки, структурные изменения материала влияют и на напряженно-деформированное состояние. Изменения свойств материалов и напряженного состояния в свою очередь сказываются на интенсивности процессов циклической повреждаемости. Выявление основных закономерностей влияния условий и длительности эксплуатации, технологии производства и ремонта
самолетов ГА на кинетику механических свойств, напряженного состояния и циклической повреждаемости авиационных конструкционных материалов, установление и количественное описание взаимосвязи этих процессов и их комплексного воздействия на характер и интенсивность циклической повреждаемости является важней научно-технической проблемой, тесно связанной с задачами эксплуатационной науки и, в частности, с расширением норм летной годности, границ ожидаемых условий эксплуатации, норм на эксплуатационные повреждения, с увеличением назначенного и межремонтных ресурсов летательных аппаратов.
Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в МАТИ (РГТУ) и МГТУ ГА (МИИГА) в период 1965-1997гг. Большинство работ выполнялось в соответствии с тематикой, утвержденной для ряда организаций МАП и МГА, в тесном содружестве с авиационной корпорацией "Рубин" и ГосНИИ ГА.
Цель работы - разработать научно-методологические основы и инженерные методы прогнозирования кинетики эксплуатационной циклической повреждаемости легких сплавов применительно к условиям эксплуатации и особенностям функционирования элементов силовых конструкций самолетов ГА.
Были поставлены и решены следующие основіше задачи:
-
Проанализировать виды эксплуатационных повреждений и процессы, влияющие на циклическую долговечность конструкции самолетов ГА, определить характерные критические зоны и выбрать объекты исследования.
-
Исследовать влияние условий и длительности эксплуатации самолетов ГА на сопротивление деформациям и разрушению ряда конструкционных легких сплавов, используемых в наиболее повреждаемых системах летательных аппаратов, и предложить инженерные методики учета соответствующих эффектов.
-
Исследовать закономерности кинетики напряженного состояния в критических зонах в условиях эксплуатационных силовых воздействий и разработать методику расчета.
-
Изучить закономерности кинетики напряженного состояния в критических зонах в условиях эксплуатационных и технологических температурных воздействий. Разработать
6 методику расчета релаксации напряжений в элементах авиационных конструкций применительно к особенностям температурных воздействий, характерных для самолетов ГА.
-
Разработать инженерные методы прогнозирования циклической долговечности по критерию появления усталостных макротрещин в условиях кинетики напряженного состояния.
-
Выполнить комплекс исследований по изучению закономерностей циклической повреждаемости конструкционных легких сплавов на стадии развэтия усталостных трещин. Проверить и экспериментально обосновать инженерные гипотезы применительно к закономерности развития фронта усталостных трещин, накопления усталостных повреждений, закономерностям развития усталостных трещин.
-
Экспериментально исследовать влияние основных эксплуатационных, конструкционных и технологических факторов на кинетику усталостных трещин, обосновать вид кинетического уравнения роста усталостных трещин и границы его корректного использования.
-
Основываясь на результатах теоретических и экспериментальных исследований, разработать и модифицировать методики инженерной оценки циклической долговечности на стадии развития усталостных трещин.
-
Обосновать эффективность разработанных подходов и методик решением ряда задач по прогнозированию циклической долговечности элементов конструкции самолетов ГА.
- исследование кинетики свойств материалов проводили путем
оценки характеристик механических свойств в соответствии с
существующими стандартами, регламентирующими форму,
размеры, технологию юготовления образцов, режимы испытаний и
методы обработки их результатов. Образцы изготавливали из
материалов, соответствующих требованиям на полуфабрикаты, и из
изделий с фиксированной эксплуатационной наработкой;
испытания при статическом нагружении проводили на испытательном комплексе MTS, на испытательных машинах УЭМ-10Т, ЦДМ ПУ-10Т, испытания микрообразцов - на машине конструкции Я.Б. Фридмана и ИМ. Ройтмана;
испытания на усталость проводили на испытательном комплексе MTS, машинах ЦДМ ПУ-10Т, МУИ-6000, типа НУ, вибростендах, изделия и макеты испытывали на специальных стендах предприятия п.я А-3282;
- испытания на ползучесть выполняли на установках К-ЗА, для
замера мнкротвердости использовали прибор ПМТ-3;
- при обработке результатов механических испытаний,
проверке статистических гипотез и планировании статических и
усталостных испытаний использовали методы теории вероятностей
и математической статистики, в том числе параметрические
критерии для отбрасывания резко выделяющихся результатов
испытаний, критерии равенства средних и дисперсии двух и ряда
совокупностей, методы определения объема испытаний с целью
оценки математического ожидания и среднего квадратического
отклонения характеристик механических свойств, различные
критерии согласия при проверке гипотез о виде функций
распределения;
- исследования закономерностей циклической повреждаемости
легких сплавов в связи с влиянием ряда конструкционных,
технологических и эксплуатационных факторов проводили на
стандартных и специальных образцах различной конфигурации при
гармоническом, блочном и случайном нагружениях,
сформированных в соответствии с требованиями нормативных
документов. Изделия испытывали на специальном стенде при
нагружения, моделирующим эксплуатационные нагрузки;.
экспериментальные исследования кинетики напряженного состояния осуществляли путем определения самоуравновешенных напряжений в исходном состоянии и при эксплутационных, технологических и моделирующих их силовых и температурных воздействиях с использованием различных методик в зависимости от конфигурации и размеров объектов исследования;
при теоретическом анализе напряженно-деформированного состояния в условиях кратковременного статического нагружения использовали методы теории упругости, теории малых уіфугопластических деформаций, механики разрушения, сопротивления материалов, численные методы расчетов (МКЭ);
- при анализе напряженного состояния в условиях длительного
статического нагружения при повышенных температурах
использовали методы теории ползучести и , в частности,
основанные на использовании гипотезы упрочнения;
- при расчетах квангильньгх кривых усталости, развития
усталостных трещин, функций распределения циклической
долговечности элементов конструкций использовали методы
точечного и доверительного оценивания и методы численного
моделирования;
- трудоемкие численные расчеты выполняли на ЕС-1033, 1ВМ-
386, ЭВМ <(Искра».
- разработан общий подход и методики расчета кинетики циклической повреждаемости легких сплавов в условиях эксплуатационных и технологических силовых и температурных воздействий, характерных для конструкции самолетов ГА;
- в рамках линейной гипотезы накопления усталостных
повреждений предложен метод учета влияния кинетики средних
напряжений цикла на интенсивность накопления усталостных
повреждений на стадии до образования макротрещин. Разработана
методика расчета циклической долговечности в условиях кинетики
средних напряжений цикла;
- на основании исследования статистических закономерностей
развития усталостных трещин на стандартных и специальных
образцах проверены гипотезы о подобии первичных кривых
развития усталостных трещин и о закономерностях развития
фронта усталостных трещин. Исследованы закономерности
рассеяния параметров кинетических уравнений роста
усталостных трещин, получены экспериментальные данные,
обосновывающие структуру кинетических уравнений в связи с
влиянием ряда эксплуатационных, конструктивных и
технологических факторов;
исследованы статистические закономерности
неустановившейся ползучести ряда конструкционных сплавов, рассеяние .параметров уравнения состояния. Разработана методика расчета кинетики Н.Д.С. на основе гипотезы упрочнения в вероятностной трактовке;
- исследована связь между свойствами первичных кривых
развития усталостных трещин и закономерностями циклической
повреждаемости, в частности, законом коммутативности
нагружения и линейным характером накопления повреждений на
стадии роста усталостных трещин. Предложена модифицировать
трактовка гипотезы линейного накопления повреждений;
- разработан и экспериментально обоснован общий подход к
оценке циклической повреждаемости изделий из легких сплавов,
упрочненных ППД.
- в разработке инженерной методики расчета циклической
долговечности элементов конструкций из легких сплавов в условиях
кинетики силовых и температурных воздействий, характерных для эксплуатации и производства самолетов ГА;
в разработке и апробации инженерных методик расчета кинетики напряженного состояния при силовых и температурных воздействиях;
в разработке инженерного метода расчета циклической долговечности в условиях кинетики напряженного состояния на стадии до появления усталостных макротрещин;
в разработке метода расчета циклической долговечности на основе модифицированной гипотезы линейного накопления повреждений на стадии роста усталостных трещин;
в разработке и апробации методов расчета роста усталостных трещин с раздельным учетом геометрических особенностей и нагруженности;
в получении данных о сопротивлении ряда легких сплавов неустановившейся ползучести, в установлении закономерностей рассеяния характеристик ползучести и параметров уравнения состояния;
в выявлении влияния условий и длительности эксплуатации самолетов ГА на сопротивление ряда легких сплавов деформациям и разрушению;
в разработке и апробации методик оценки эффективности применения методов упрочнения ППД для повышения циклической долговечности элементов силовых конструкций самолетов ГА;
в исследовании влияния ряда эксплуатационных, технологических и конструкционных факторов на процессы циклической повреждаемости на стадии роста усталостных трещин и установлении вида соответствующих поправочных функций.
Установленные закономерности циклической повреждаемости и разработанные методики расчета, в частности,
позволяют:
анализировать эффективность технологических процессов упрочнения ППД с учетом условий эксплуатации и технологии изготовления элементов конструкции летательных аппаратов;
учитывать влияние рассеяния характеристик сопротивления материалов на ресурс и безотказность конструктивных элементов;
учитывать влияние длительных температурных воздействий на циклическую долговечность в зонах концентрации напряжений;
- значительно упростить оперативные расчеты развития
усталостных трещин и эксплуатационной циклической
долговечности на стадии роста усталостных трещин, используя
результаты испытаний конструктивных элементов при регулярных
режимах нагружения и подходы, основанные на использовании методов расчета с раздельным учетом геометрических особенностей и нагружеішости и с использованием линейной гипотезы накопления усталостных повреждений.
1. Проверкой теоретических положений на достаточно
представительном экспериментальном материале.
2. Сочетанием численных методов расчетов с
экспериментальными методами.
3. Применением методов теории вероятностей и
математической статистики при планировании испытаний,
обработке их результатов и проверке статистических
гипотез.
4. Привлечением материалов, опубликованных в технической
литературе, их критическим анализом и сопоставлением с
результатами собственных исследований.
разработка научно-методологических основ и методики расчета кинетики циклической повреждаемости легких сплавов в условиях эксплуатационных и технологических силовых и температурных воздействий, характерных для самолетов ГА;
разработка и экспериментальное обоснование методики расчета циклической долговечности на стадии до образования усталостных макротрещин с учетом кинетики средних напряжений цикла;
результаты исследования статистических закономерностей развития усталостных трещин, экспериментальное обоснование гипотезы развития фронта плоских усталостных трещин, гипотезы подобия первичных кривых роста усталостных трещин, вида кинетического уравнения и его вероятностной интерпретации, исследование влияния ряда эксплуатационных, технологических и конструкционных факторов на закономерности циклической повреждаемости;
- методики расчета развития усталостных трещин, основанные
на следствиях, вытекающих из гипотезы подобия первичных кривых
развития усталостных третий и ряда экспериментально
установленных положений о виде кинетического уравнения роста
усталостных трещин;
- разработка и экспериментальное обоснование методики
расчета кинетики напряженного состояния при воздействии
перегрузок и повышенных температур;
результаты экспериментального исследования статистических закономерностей неустановившейся ползучести ряда конструкционных сплавов, вероятностная интерпретация уравнения состояния;
результаты экспериментальных исследований влияния длительности, условий и процессов эксплуатации на сопротивление легких сплавов деформациям, разрушению и интенсивность процессов циклической повреждаемости;
- разработка методики расчета циклической долговечности
изделий из легких сплавов, упрочненных ППД, в условиях силовых
и температурных воздействий, характерных для элементов
конструкции самолетов ГЛ.
Экспериментальные исследования влияния ряда
эксплуатационных, технолоппеских и конструкционных факторов на циклическую повреждаемость листовых материалов, установление статистических закономерностей сопротивления легких сплавов статическому разрушению и усталости, исследование влияния длительности и условий эксплуатации на сопротивлении легких сплавов деформациям и разрушению, разработка методов оценки ресурса с учетом рассеяния механических характеристик, разработка вероятностных методов расчета развития усталостных трещин, методов расчета с раздельным учетом геометрических особенностей и нагруженности, исследование закономерностей развития фронта усталостных трещин, апробирование методов расчетов циклической долговечности с учетом кинетики напряженного состояния в зонах концентрации напряжений применительно к условиям эксплуатации СПС были осуществлены в ходе выполнения НИР с ГосНИИ ГА в период 1975-1993гг. Эти результаты нашли применение в ГосНИИ ГА при решении вопросов продления назначенных ресурсов самолетов ИЛ-62, ИЛ-86, ТУ-154, ТУ-134, Аи-24, АН-12, а сами НИР выполнялись в рамках соответствующих планов научно-технических мероприятий МАП, МГА, ДОТ МТ РФ.
Экспериментальные исследования влияния длительности и условий эксплуатации на характеристики статической прочности и сопротивления усталости ряда деформируемых и литейных сплавов, исследование кинетики напряженного состояния, разработка методик прогаознроваїгая кинетики напряженного состояния и расчета циклической долговечности, исследование кинетики эффекта упрочнения барабанов авиационных колес проводили в основном в процессе выполнения НИР с предприятием п/я А-3282 в период 1965-1975гт. Результаты этих исследований в дальнейшем были развиты и использованы для прогнозирования и оценки эксплуатационной циклической долговечности барабанов авиационных колес с учетом упрочнения ППД, для анализа влияния
технологии изготовления изделий, нештатных ситуаций типа «прерванный взлет» на циклическую долговечность, при выборе авиационных материалов и при оптимизации их химического состава.
Результаты работы нашли также отражение при разработке 2-ой и 3-ей редакций проекта стандарта СССР «Металлы. Методы испытаний на усталость» взамен ГОСТ 2860-65.
Основные разделы и результаты докладывались и обсуждались:
l.Ha Всесоюзной научно-технической конференции
«Остаточные напряжения и несущая способность деталей
машин», Харьков, 7-Ю октября 1969.
-
На Всесоюзном научно-техническом совещании «Статистические вопросы прочности и динамики машин», Рига, 7-9 апреля 1976.
-
На VI конференция по усталостной прочности, Новосибирск, 4-8 июня 1977г.
-
На международной научно-технической конференции «Влияние применяемой технология на качество тяжелых рабочих машин с особым учетом несущих конструкций», ПНР, Варшава, 19-20 октября 1978.
-
На IV Всесоюзной научно-технической конференции «Эффективность и оптимизация систем и процессов гражданской авиации», Москва, 22-23 марта 1979.
-
На рабочем совещании по проблеме «Механические колебания и надежность поврежденных упругих систем», ГКНТ, ЦП НТО МашПром, ГосНИИ ЭРАТГА, МИИГА, Рига, 24-26 апреля 1980.
-
На Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития методов технической эксплуатации авиационной техники», Киев, 29-31 мая 1979.
-
На Всесоюзной конференции по усталости металлов, Москва, ИМЕТ, 1982.
-
На научно-технической конференции «Комплексное обеспечение ресурса авиаконструкций», Жуховский, 15-18 марта 1983.
-
На ГУ Всесоюзном научно-техническом совещании «Динамика и прочность поврежденных конструкций авиационной техники», Москва, МГА, ГосНИИ ГА, 1983.
-
На втором Всесоюзном съезде по теории машин и механизмов, Одесса, 14-18 сентября 1982.
-
На Всесоюзной научно-технической конференции «Инженерно-авиационное обеспечение безопасности полетов», Москва, МИИГА, 24-26 апреля 1985.
-
На Всесоюзном научно-техническом симпозиуме с участием специалистов стран-членов СЭВ, Владимир, 18-20 ноября 1986.
14. На Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения.
«Трещиностойкость материалов и элементов конструкций», Житомир, 30 октября- 1 ноября 1990.
-
На международной научно-технической конференции «Наука и техника гражданской авиации на современном этапе», Москва, март 1994.
-
На научно-технических семинарах «Обеспечение надежности эксплуатации авиационной техники», Москва, ВДНХ, сект. 1977, сент. 1978.
-
На заседаниях научно-исследовательского отдела предприятия п/я А-3282 в 1965-1975гг., НТС ряда отделений ГосНИИ ГА в 1975-1995гт., на заседшшях секции прочности машин ЦП НТО МашПром в 1969-1980гт., на научно-технических конференциях МАТИъ 19б7-1975гг.иМГГУ ГА(МИИГА)в Г975-1997гг.
Основные результаты исследований изложены в 51 печатной работе, 28 отчетах по НИР, в трех учебных пособиях для вузов ГА.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Похожие диссертации на Прогнозирование эксплуатационной циклической повреждаемости легких сплавов в элементах конструкций воздушных судов
