автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Прогнозирование долговечности элементов авиаконструкций из металлических сплавов при статическом, циклическом и термоциклическом нагружениях

РV б Ой 1 О М1Р .995

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ни правах рукописи УДК 629.7.015.4/018.4: 539/669/620.1

Петров Мерк Григорьевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ "ЭЛЕМЕНТОВ АВИАКОНСТРУКЦИЙ ИЗ ¡МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ, ЦИКЛИЧЕСКОМ И ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИЯХ

Специальность 05.07.03 (Прочность летательных аппаратов)

Автореферат диссертации • на соискание учЗной степени кандидата технических наук

г. Новосибирск, 1995 г.

Работа выполнено в Сибирском научно-исследовательском институте овиащш км. С.Л. Чаплыгин?).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Б.Н. Максимонко"

Официальные оппоненты:

1. Доктор технических наук, профессор И.Г. Колкер

2. Кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Ведущее предприятие: НПО "Молния", г. Москва.

Защита диссертации состоится 27 апреля 1995 г. в 10 час. на заседают специализированного совета Д 063.34.07 в Новосибирском государственном техническом университете, по адресу: 6300Э2, Новосибирск - 92, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке .Новосибирского

В.Н. Шкляр

государственного технического университета

Автореферат разослан

1995 Г.

Учений секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Г.И. Расторгуев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Разнооброг-из и сложность условий работы современных конструкций требуют ссвершонствсгшния.традациогашх ¡5 разработки новых методов оценки их несущей способности. В настоящее время существует множество различных подходов и методов определения несущей способности конструкций в зависимости от характера погружения и температуры, казднй из которых применим только в ограниченном диапазоне условий эксплуатации.. При расширении диапазона возникают проблемы композл-щш подходов, часто построенных па раз!шх идеологических принципах. Сложности появляются в результате того, что игнорируется собственно фундамент решения задачи, то есть то, что из себя в действительности представляет сам материал.

Данная работа, представляя материал как физическую среду, пересматривает традициошше взгляда на разрушение с единых позиция кинетической концепции прочности.Она посвящена анализу и моделированию прочностных и деформационных свойств сплавов и новой методологии прогрозирования долговечности элементов конструкция при разных вариантах темйерарурно-сяповых условий погружения на основе объединения знаний и методов механики, физики и физического металловедения.

Актуальность работы. Разработка новых методов определения прочности и ресурса необходима в том числе и для летательных аппаратов (ЛА) в связи с созданием космических,, сверхзвуковых транспортних и административных самолетов, с проблемами длительной эксплуатации в условиях коррозионных воздействий в разных югсмэтических зонах, с использованием полимерных и композиционных материалов, чувстви-. тельных к ультрафиолетовому излучению и температурно - влакностны/1 характеристикам ерэдц.

Решение этих прс^лем невозможно без построения новых моделей сплошной среды, опироотдхся на физику и термодинамику внутренних процессов, происходящих в твёрдом теле под нагрузкой. Только представление о твЗрдом теле как Физической среде дает возможность во взаимосвязи рассматривать процессы дефоршфозания и разрушения, структурных превращений, физических и химические воздействий'.

Анализ экспериментальных данных с этих позк дй формирует качественно новые представления о свойствах материалов, позволяет определить оптимальный объем эксперимента и последовательность получения характеристик новых сплавов, сокращая тем самим затраты н сро-

¿а проектирования ЛА.

Цель рибогы. Целью работы был пересмотр традиционных представлений о прочности материалов о позиций общих законов физики твердого тела и построение на основе едшшх принципов нового метода прогнозирования долговечности материалов и элементов конструкций вообще и ЛА в особенности, подвергающихся в эксплуатации широкому спектру температурных и силовых воздействий.

Методика проведения работы. В работе использованы как экспериментальные , так и теоретические метода исследования. Экспериментальная часть работы выполнялась на нескольких марках алюминиевых сплавов: ДО 6 Т, АК4-1 Т1, 1201 Т1. Ряд вопросов исследовался на сталях ЗОХ, ЗОХГСА и ЗОХГСКА с разлитой термообработкой, аустени-тных сталях Х18Н9Т, 12Х18Н9Т и на титановом сплаве ВТ5. На образцах материалов определялись долговечность, деформации, поглощение . энергии при свободных затухающих и выделение тепла при вынужденных колебаниях.

Извлекаемые из данных стандартного эксперимента макрохарактеристики материалов представлялись их реологическими моделями, вязкие элементы которых описывались уравнениями физической кинетики. Параметры моделей определялись на основе решений дифференциальных уравнений реологических моделей и термоактивационного анализа процессов деформирования и разрушения сплавов. В ряде задач модели использовались в качестве инструмента для анализа свойств материа-

ЛОи«

Составленные из реологических моделей структурные модели материалов применялись затем в расчётных моделях элементов конструкций, построенных с использованием методов теории упругости и сопротивления материалов. Расчётные оценки долговечности,выполненные по этим моделям для разных случаев статического, циклического, термоциклического и случайного нагружения, сопоставлялись с их экспериментальными значениями для типовых элементов конструкций. Проводилась и прямая прозерка расчбтных моделей путем сравнения вычисленных значений напряжений на контурах вырезов в пластинках с экспериментальными величинами напряжений.

Деформации,вычисленные по модели пластического гистерезиса, которая применялась к анализу амплитудозависимого внутреннего трения в материале при свободных затухающих изгибных колебаниях образцов, проверялись методами прямого измерения деформаций,а получаемые расчетом амплитудные зависимости коэффициента поглощения энергии со-

поставлялись с теорией дислокационного гистерезиса.

Научная новизна. Разработаны новы« реологические модели твЗрдо-го тела, отракащио внутренние термодинамические процесс« в материалах и не содержащие в себе традиционных механических характеристик материала - "предела прочности11, "продела текучести", "предела усталости". Данные характеристики п зависимости от способа, характера и условий нагружония получаются на осново обвдпс физических свойств материала расчетным путем по реологическим уравнениям среди, куда температура и время входят в явном виде.

Составленная из реологических моделей структурная модель металлического сплава описывает основные свойства материала для одноосного напряжешю--деформированного состояния (НДС) без введения каких-либо параметрических зависимостей или схематизация внешних условий нагружония:

- неустановившуюся и установившуюся стадии ползучести;

- логарифмическую ползучесть;

- циклическую ползучесть;

- возврат ползучести;

- аффект Баущингера;

- закономерности деформирования в широком диапазоне скоростей нагружония (или деформации) и температуры;

- температурно-временную зависимость прочности;

- усталостную долговечность при разных значениях температуры и частоты, при разных формах цикла и асимметрии нагружения.а также при случайном характере изменения температуры и нагрузки;

- зависимость долговечности от частоты теплосмен и величин экст- ' рамальных значений температуры цикла;

- раскрытие петли пластического гистерезиса и демпфирующие харак- , теристики материалов при произвольном характере нагружония. Замена некоторых параметров в реологических уравнениях на фуик- '.'

ции позволяет описывать сопутствующие термоактивировашше процессы релаксационного характера, распад пересыщенного твердого раствора и связанные с этим изменения твердости, щючностных и деформационных характеристик сплава. Введенные поправки на квантовые эффекты дают основания для прогнозирования кинетики деформирования и разрушения при криогенных температурах вплоть до абсолютного нуля.

. Суммирование повреадений ведется по структурным уровням деформаций материала. Разрушение на каждом структурном уровне происходит с разной скоростью, и в зависимости от характера нагрузивши и

величины нагрузки определяющим долговечность оказывается тот уровень, где скорость наибольшая. За критерий, определяющий момент времени появления макротрещипы, принята продольная величина концентрации микротрещин и пор в локальном объеме.

Практическая ценность. Разработаны методики анализа прочностных и деформационных свойств сплавов и прогнозирования долговечности элементов конструкций до момента зарождения макротрещины при различных вариантах температурно-силовых условий нагружения. Решена задача определения демпфирующих свойств сплавов при произвольном характере нагрукения.

Методика прогнозирования долговечности позволяет корректно составлять эквивалентные и форсированные программы испытаний конструкций, .находя расчётным путем такие их варианты,чтобы ответственным за разрушение был тот же структурный фактор,что и при эксплуатационном нагружении.

Разработанные методики реализованы в виде алгоритмов и программ. Некоторые из них использовались при анализе разрешения натурных конструкций, работавших в условиях тэплосмен, при испытаниях в СибНИА, приобретены АО "КамАЗ". По заказу НПО "Молния" методики представлены в виде программного продукта для оценки ресурса деталей при полигармонических процессах нагружония.

На защиту выносится:

- единый подход к прогнозированию поведения материалов при разных вариантах температурно-силовой программы нагружения на основе физических представлений о процессах деформирования и разрушения;

- новые реологические модели материалов, отражающие термодинамические процессы в твбрднх телах - деформирование, разрушение, структурные превращения;

- струкурная модель сплошной среды, составленная из реологических элементов нового вида;

- принцип суммирования повреждений по структурным уровням деформаций;

- методика прогнозирования прочностных и деформационных свойств металлических сплавов на основе их структурных моделей;

- методика прогнозирования прочности и долговечности элементов конструкций на основе моделирования эволюции НЦС в опасных местах;

- методики обработки экспериментальных данных для получения параметров реологических моделей материалов;

- методики анализа кинетики деформаций и амплитудозависимого вну-

треннего трекия на основе разработанных моделей сплошной среды;

- методика моделирования реальных спектров случайного нагрукения;

- методики корректной разработки эквивалентных и форсированных программ испытаний конструкций.

Апробация работ. Материалы отдельных частей работы докладывались и обсузданись на научно - технических конференциях СибНИЛ по проблемам усталостной прочности авиационных конструкций в 1977 и 1981 гг., на Всесоюзных семинарах "Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружония" в Киеве в 1978 и 1981 гг., на Межвузовском научно-техническом семинаре "Проблемы повышения надежности конструкций" в Куйбышевском политехническом институте в 1980 г.,на Новосибирском городском научном семинаре по проблемам современного материаловедения в НЭТИ в 1978 и 1980 гг., на конференциях Киевского ИПП по вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем в Киеве и Каменец-Подольском в 1983 и 1989 гг.,на конференциях ЦАГИ по ресурсу авиаконструкций в 1983 и 1986 гг., на II Всесоюзной конференции "Ползучесть в конструкциях" в Новосибирске в 1984 г., на II Всесоюзной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" в КуАИ в 1986 г., на семинаре "Технико-экономические проблемы оценки и прогнозирования надежности и ресурса авиационных конструкций" в КНИГА в 1987 г., на III Всесоюзной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" в КАИ в 1988 г.

Публикации. По основным результатам проведенных исследований и разработок опубликовано 18 печатных работ и одна находится в печати. Получен патент РФ на способ, применяемый в методиках исследований автора.

Обиёл работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав й заключения. Бе общий объем составляет 138 страниц .включая библиографию из 130 наименований и приложения из 16 таблиц и 29 рисунков:. > ,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена краткая справка о развитии представлений о прочности, отмечены противоречия распространенных в настоящее время понятий о разрушении и множественность подходов к оценке несущей способности конструкций. Подчеркнуто, что накопленный к настоящему времени большой объем экспериментальных данных и имеющиеся

Г

теоретические работы дают основу для приведения всех наблюдаемых при разрушении явлений и закономерностей в стройную систему взглядов и разработки на этой основе новых методов прогнозирования долговечности конструкций.Этого же требует и большое разнообразие условий эксплуатации современной авиационной техники.

Поставлена задача разработки новых моделей материала, отображающих в интегральном виде физические процессы в металле, на основе представлений о разрушении и деформировании как термоактивированных процессах. Сформулированы выносимые на защиту научные положения. Отмечены авторы работ, результаты которых обобщены в диссертации.

В первой емзве на основе анализа существующих подходов к проблеме разрушения твердых тел и прогнозированию долговечности элементов конструкций выделены две основных группы подходов, соответствующие тому, какой смысл вкладывается в понятие "разрушение". Относительно первой группы - классических теорий предельных состояний - отмечено,что эти подходы не отражают всего комплекса свойств материалов при повторных нагрузках и изменяющейся температуре, согласуясь с экспериментом лишь в частных случаях разрушения. Подчеркнута ограниченность подхода к проблеме разрушения только с позиций механики сплошной среда.

Предпочтение отдается второй группе подходов - кинетическим теориям разрушения.. Однако >1 в рамках кинетических подходов существует много взглядов, критериев и различий в терминологии. В зависимости от условий и характера нагружения, разновидности конструкций на практике пользуются не только разными представлениями о прочности, но и разными единицами измерения их работоспособности (временем работы, числом наработанных циклов или блоков нагрузок, суммой нагрузок) . При этом для каждого случая нагружения требуются свои экспериментальные данные, свои методы их обработки. При работе конструкции в сложных или изменяющихся в процессе (эксплуатации условиях возникают трудности в объединении разных подходов.

Реальные процессу в материале'весьма сложны. Разрушение происходит на разных структурах и масштабных уровнях (см.. работы В. Е. Панина, В. И. Владимирова). Разрыв между описанием движения единичных дислокаций и прогнозом макроскопической деформации материалов с одной стороны заподаяется рассмотрением все более сложных пространственных конфигураций дефектов в кристаллах, с другой - анали-пом кинетики микроструктуры;

Большое число проведенных экспериментов дает достаточно оснований для однозначного толкования разрушения как термоактивированного процесса, постепенно развиващегося во времени в соответствии с видом и характером нагрукения, температурными и внешними Физическими или химическими воздействиями. Единый взгляд на процессы,происходящие в разных случаях пагружения, позволяет построить принципиально однотипную модель среды, пригодную для широкого круга задач.

В отношении прогнозирования долговечности конструкций выделены по степени точности гфогноза три основных способа. Наиболее строгий и точный, развиваеый в данной работе, состоит е детальном исследовании кинетики деформирования и разрушения в широком диапазоне внешних условий и разработке модели среда!, отражающей основные физические закономерности поведения материала под нагрузкой. Отмечены успехи в области моделирования внутренней структуры материалов, подтверждаемые работами Д.А. Гохфельда и Ю.Н. Самарина, хотя они и выполнены в рамках традиционных методов механики. Дальнейший прогресс п предсказании долговечности конструкций', работающих в слогашх температурно-силовых условиях,возможен лишь на основе представлений о разрушении как физическом процессе.Только в этом случае становится понятной связь внутренних процессов с внешними физическими и химическими воздействиями и, следовательно, достигается успех в решении сложных задач прочности.

Во второй главе предлагается концепция решения задач прогнозирования долговечности на основе новых реологических моделей мате-териала. Дается обоснование гюпользуемых представлений о прочности твердого тела, базирующееся на теории скоростей реакций, на экспериментальных данных о кинетике разрушенг :, изученной прямыми физическими методами,на экспериментальных наблюдениях за динамикой дислокаций, на термодинамике твбрдого состояния.

В реологию метериалов вводится понятие тела Журкова, скорость пластического течения которого описывается выражением

ёр = ё0«ехр[-(9с)- а«а)/кТ], ' (I)

где ео, 0о и а - активационные параметры. Рассмотрены составные тела - последовательное и параллельное соединения тел Журкова и Гу-ка. Приведены решения дифференциальных уравнений для составных тел при постоянных скоростях нагружения или деформирования. Зависимос-

та напряжений течения от скорости деформирования и температуры или раскрытия петли пластического гистерезиса от скорости нагружешя и температуры вытекают непосредственно из этих решений.

Обозначая А = ео-ехр(-0о/м:)> В = а/кТ, оо и ео - напряжения и деформации в момент времени X о, а М - модуль упругости тела Гу-кр, получим следующие решения.

При последовательном соединениии тел Гука и Журкова:

- для постоянной скорости полной деформации е = С -

1 А

0 =--.1п{ехр[-В< (оо+С-М^)] +--[1-ехр(-В-С<1М;)]}, (г)

В с

которое при С = о переходит в уравнение релаксации напряжений 1

о =---1п[ехр(-В.а) + А'В'М'г]; (Э)

В

если время г - со, то (2) дает постоянные напряжения течшия, зависящие от скорости деформирования и температуры, -

1 А

о=--«1п(-); (4)

В С

- для нагружения с постоянной скоростью о = В -

ехр(В-Б-г)-1

е = ео+ —— + А.ехр(В.ас)--—-, (5)

М В»Ц

которое при Б = о переходит в уравнение ползучести е = е0+А«ехр(В-

Так как в (2) деформации, а в (5) напряжения пропорциональны времени, то очевидно, что связь между ними не может быть однозначной и определяется скоростью нагружения или деформации и температурой, которые входят в уравнения в явном виде. При параллельном соединении этих же тел:

- для нагружения с постоянной скоростью -

1 1 е = —.[о + + —•ШехрС-В» (о„+Б«г-е «М)1 +

м о в о о

А>М

. +.--[1-ехр(-В-Б'1;)Ш, .(6)

которое при Б = о переходит в уравнение, характеризующее так называемую логарифмическую ползучесть

1 1

е ----[о + —•Щ{ехр[-В- (о - е -М)] + А-В-М^}). (7)

К В

Вычисления, проводимые по временным шагам, позволяют воспроизвести о помощью этих решений деформационные процессы в материале в реальном масштабе времени.

За критерий разрушения принят критерий Бейли, предполагающий достижение в локальном объеме предельной концентрации микротрещии и пор. Подчеркивается различив между локальной и объемной поврек-дённостью. Последняя определяется концентрацией локальных зон, гдо процессы разрушения происходят одновременно. Рост концентрации не-сплошностей в каждом локальном объеме и характеризует скорость разрушения

ц> = (Ьь.ехр{-[ио- 7(Т,а,о,1;,ы)•о]/М'>, (8)

где активационные параметры ио и 7 для металлических сплавов близки по величине соотвэтствунцим параметрам 0о и а в (I).

Предлагаемая концепция заключается в анализе экспериментальных данных с позиций физической кинетики и воспроизведении прочностных и деформационных свойств материала как физической среда с помощью реологических моделей твёрдого тела. Кинетика деформаций и повреждений представлена выражениями термодинамического характера и заложена в реологические модели. Поведение материала описывается функциями отклика композиции реологических. элементов, отображаирж разные структурные уровни пластической „эформации и разрушения.Такой подход позволяет понять причины наблюдаемых закономерностей в свойствах материалов, смоделировать эти свойства, не прибегая к искусственным представлениям, а наоборот, выявляя механизмы действия стоящих за этим процессов. Он не только дает новую информацию, которая систематизируется совсем по другим принципам и формирует качественно новые знания, но и позволяет направить поиск, спланировать дальнейшие пути исследований для успешного решения сформулированных задач.

, В третьей главе изложены методы определения параметров моделей материалов на основе термоактивационного анализа процессов разрушения и пластического деформирования при испытаниях на ползучесть

и длительную прочность, при разрушении монотонно нарастающей нагрузкой с разними скоростями и при разных температурах, при цикли-лическом нагружении. С привлечением формальной теории превращений проанализированы наблюдаемые в эксперименте закономерности изменений деформационных и прочностных свойств дисперсионно твердеющих алюминиевых сплавов в связи с распадом пересыщенного тьбрдого раствора и отряжены в предлагаемых моделях.

Обобщены данные испытаний алюминиевых сплавов (Д16 Т, АК4--1 Т1, 1201 Т1) в широких диапазонах долговечности (от сотых долей секунды до трех лет) и температуры (от 77 К до 573 К), проведенные как в ходе выполнения данной работы, так и опубликованные в литературе . Учтены низкотемпературные особенности разрушения с помощью поправочной функции температуры,полученной Р.Л. Салгаником. При анализе разрушения выявлены релаксационные процессы, происходящие на структурном уровне (7 = 1(Т,о,о,) в (8)),что является новой информацией о поведении данных сплавов. Ход релаксационных процессов моделируется набором тел Гука и Максвелла, что позволяет воспроизводить их в расчетах при любом произвольном характере изменений напряжений и температуры.

Приведены также результаты термоактивационного анализа разрушения других сплавов на основе железа и титана с разными типами 1гри-сталлических решёток при монотонно нарастающей нагрузке, выявляющие структурные особенности каждого из них и температурно-времан-ную область условий, в которой возможен прогноз длительного разрушения по результатам кратковременных испытаний. Это стали ЗОХГСА и ЗОХГСНА с различными термообработками, аустенитные стали Х18НЭТ и 12Х18Н9Т, а-титановый сплав БТ5 и Армко-железо.

На примере дуралюмина показана методика термоактивацонного анализа деформирования сплавов, выделения структурных уровней деформаций и определения параметров релогических моделей, составляющих структурную модель сплава. Приведены примеры расчётов по моделям неупругих деформаций сплава при различных вариантах температурно-силового нагружения (рис.1), экспериментальные аналоги которых известны из литературы.

Зарубежные и отечественные авторы работ, посвященных разрушению при циклических нагрузках в области многоциклового и малоциклового нагружения, в том числе и при неизотермических услозиях (Коффин, Мансон,Трощенко, Писаронко, Гохфольд, Садаков, Соренсен, Шнейдеро-вич, Махутов, Котов, Романов, Биргер, Москвитин, Гусенков и др.).

(5 КГ7а

-i—i—i—i—^

—i—i—h i—i—i—|.

5 -S

5

H

3

6

1

________1

67 i

о,

/ ^ -Л/ Разгоимссу

¿ост

G

5.9S

-ZoQ

Fnc. I. Huynpyrae свойства сплава Д16 T в зависимости от условий нагруаэния (расчёт по иоделш): а - петля упруго-пластического глсторззкса при треугольно!! и трапецеидальной фзркчт цикла (423 К); б - ползучесть г возврат ползучести (423 К) -

Ot= 3G0 .\<Па о,: 270 ч 310 ?.:Пв; в - пластический гистерезис при треугольной и сину-со"халькоП формах юкла (293 К).

в той или иной форе связывают долговечность с ноупругостью материала - с поглощаемой за цикл анергией, с раскрытием петель пластического гистерезиса. Такая связь объективно существует, но привязка к циклу нагрухения ограничивает области примен: мости исполь-зуеых подходов.

Решение заключается в отказе от цикла как единицы измерения долговечности, в переходе к определению'скорости разрушения в каждый момент г"риода цикла. Том более, что циклическое пагружение может происходить в условиях переменных температур, и такой подход является единственно возможным. Он реализуется путем моделирования мн-гропластических деформаций с помо&ью реологических моделей материала. На временном шаге определяют суммарный результат процесса -прирг юшш деформаций всего объема материала и повреждений в ном.

Изложена методика анализа амплитудной зависимости раскрытия петли пластического гистерезиса при циклическом нэгрукошш для опре-делеш!я параметров структурной модели материала при малых величинах нагрузок. Помимо прямого метода измерения деформаций в исследованиях использованы и два косвенных метода: измерение величины диссипации эноргиг при вынужденных колебаниях (тепловой метод) ч свободах затухающих изгибнык колебашшх.

Проведен анализ амплитудозависикого внутреннего треш1я в образцах из дуралюмина на основе модели микропластического деформирования - трехэлементной реологической модели, составленной из тол Гу-ка и ЗКуркова. Показана связь плотности распредолешш относительных, объемов, где происходят михропластические деформации, по структурному коэффициенту концентрации нш.ряяений с амплитудной зависимостью коэффициента поглощения материала. Полученные закономерности идентичны теории Кйлера-Гранато-Люкке как для больших, так и для мелых амплитуд циклического деформирования, а вычисленные величины раскрытия петель пластического гистерезиса соответствуют данным прямых измерений. Вид плотности распределения и относительная величина объемов с высокими коэффициентами перенапряжений аналогичны данным, полученным на полимерах прямыми физическими методами в ЭТИ им. А.Ф. Иоффе.

На эксперимент а лъшх примерах иллюстрируется связь величины раскрытия петель гистерезиса с долговечность» и даеюя методика распределения суммарного раскрытия петли по структур.чым уровням деформации л вкладов каждого уровня в разрушение. Расчбты, проведен • ные на основе структурной модели сплава 1201 TI при разных аплиту-

дах, частоте, форме цикла. асимметрии погружении и температуре, показывают соответствие расчетных оценок долговечности материала (гладких образцов) экспериментальным данным.

В четвертой главе изложено применение предложенной концегазяи к различным гроктическим задачам. Приведена схема моделирования для получош1я расчетных оценок прочности и долговечности элементов конструкций, предусматривающая кроме моделей материала модели конструктивных элементов и модели внешних воздействий.

Задача моделей конструктивных элементов - связать местное НЕС в опасной точке конструкции внешними нагрузками во времени в течении всей истории нпгружения. Применительно к авиационным конструкциям, где большую долю составляют тонкостенные элементы, рассмотрев одноосные модели конструктивных элементов, включающие штивки на трехмерность задачи и масштабный Фактор. Проверка применимости этих моделей проведена как прямым методом - сравнением расчЗт-гал значений напряжешь но контурах г-ырезов в тонких пластинках с экспериментальными величинами нэирн^чшй, так и косв'шшми - оценками разрушающих нагрузок и договечности »тих же элементов.

На рис. 2 приведено сопоставление расчетных и экспериментальных величин разрушающих номинальных напряконий при нагруиении монотонно нарастающей нагрузкой и остяточшл напряжений на контуре выреза через шесть часов после разгрузки для полосы с центральным отверстием. 3 расчетах воспроизведено таю.м релаксация остаточных, непрл-кений на контуре отверстия при разных температурах, сопоставляемая с имеющимися литературными дашгами. Показано,но сколько существенно изменение действующих н.шфякею'Я в опасных местах конструкции в процесс? разрушения, которое воепроиьволится моделями и которое в общем случае вряд ли может быть предсказано аналитическими выражениями. Па примере расчета остаточных напряжений показана разница в воспроизведении НДС различными структурными моделями.

Проведен большой цикл исследований тормоциклической прочности. Испытаны образин из АК4-1 Т1, представлявшие собой полосу с центральной отверстием и ряд вариантов полосы с приклепашым двухрядным Шоон продольным двутавровым стрингером. Часть образцов испытк-волась с выевэрлоншми заклепками или представляла собой только обпквку с зенкованными отверстиям.:. Для испытаний на базе серийного гидропульстора была спроектирована установка синхронного на-гружения и нагрова с пневматической системой управления.

Программы нагружения включали в себя испытания при постоянных

Рис. 2. Сравнение экспериментальных и расчетных значений остаточиш: напр'кзшй (о) п статической щпчлостл (s) для полосл с отверстием из алилуглавих сала-иоа (293 К).

температура и нагрузке, при постоянной температуре и циклически меняющейся нагрузке, при постоянной н&грузке и циклическом нагреве-охлаждении, при синхронном циклическом Нбгрукакии и нгзгревв-охлаждении. Варьировались максимальная температура цикла илн выдержки (130-270°с), минимальная томпэратура цикла (О-бО'С) и длительность периода теплосмен (2-8 м!Ш.). Величина номинальных напряжений при цитировании изменялось в пред лах 10 - .310, 20 - 200, - 310 МПа, а при постоянной нагрузке составляла от 200 до 327 МПа.

Сравнительный эксперимент покапал,что при данных режимах нагру-жения долговечность клепанных образцов и образцов с высверленными заклепками одинакова. Поэтому расчбт!ше оценки долгогччности клепанных образцов выполнялись по тем ке алгоритмам, что и полосы со свободным цилиндрическим отверстием, но с учетом большей концентрации напряжений в точке перехода цилиндрического отверстия в коническое. Использовалась та ко модель элемента конструкции, какая была при вычислениях остаточных напряжений, и модель материала .без элементов гистврезисного типа, но описывающая процесс старения материала .

Сопоставление расчетных и экспериментальных оценок долговечности для полосы с центральным отверстием и одного из перечисленных типов клепаных образцов приводе но на рис. 3 и показывает вполне удовлетворительное их соответствие. Расчеты выполнялись по среднестатистическим данным материала, обобщенным по нескольким плав;'.av. Расчбтннй диапазон долговечности соответствует основным погрешностям температуры и нагрузки в эксперимента, а экспериментальный -фактическому разбросу долговечности конкретных конструктивных образцов.

В качестве модели внешних воздействий рассмотена дискретная модель спектра случайного нагрузкенио.Сплошной спектр случайного процесса представлялся дискретным набором амплитуд гармоник некратных частот таким образом, чтобы спектральная плотность, закон распределения и среднеквадратичное отклонение (СКО) эквивалентного псевдослучайного процесса были равны соответствующим характеристикам реального процесса. На основании проведенных исследований установлены необходимые и достаточные условия эквивалентности дискретного и сплошного спектров по повреждаемости в зависимости от величины СКО процесса, теоретического коэффициента концентрации напряжений (ККН) в опасной точке конструкции и свойств материала. Исследования показывчвт, что стандартные метода схематизации случайных

Рис. 3. Сравнение экспериментальные и расчётных оценок

долговечности клбпаных образцов (г4 и полос;; с

отверстием (с' из АК4-1 Т1 при разных темпера -

турио-силовых программах н гружения. 18

процессов, но связанные с конкретной конструкцией, материалом я но учитывающие уровень нагрузки тленно данной конструкции, не вполне корректны.

Показана разница между эффективным и теоретическим ККН при усталости, связанная с не упругими свойствами материала и его качеством. Приведены примеры расчетных оценок долговечности гладких образцов и образцов с надрезом (с резными ККН) при двух видах спектра нагружения и нескольких значениях ьсимметрии погружения и СКО процесса. Кроме того, по стандартным реализациям Society of Automotive Engineers (SAE) выполнены расчеты долговечности образцов из материалов, для которых в литературе имеются данные по неупругости и данные испытаний при этих нагрузках. Оценены погрешности, свя-зашше с выбором временного шага вычислений.

Сравнение всех расчетных и экспериментальных значений долговечности показано на рис.4. Известные методики SAE, использующие схематизацию процесса нагружения, не лучше предлагаемых, а по отдельным режимам нагружения дают в несколько раз большие погрешности.

Разработанные методики расчетной оценки долговечности позволяют корректно составлять эквивалентные и форсированные программы испытаний конструкций, определять погрешности той или иной схематизации реальных спектров нагружения. Более обоснованным условием эквивалентности служит связь долговечности конструктивного элемента при сопоставляемых режимах нагружения с одним и тем же структурным фактором. Применение структурной модели материала и дает возмоа: ность выявить это соответствие и увеличить надежность переносимых на реальные условия результатов лабораторных испытаний. Для случаев бигармонического и полигармонического нагрукений показаны примеры расчётных эквивалентов моногармонического нагружения,подтвер-адбнные экспериментом.

В пятой главе перечислены области, в которых предлагаемые подходы перспективны, и задачи, которые на их основе более просто решаются. К ним относятся случайные колебания температуры,взаимодействие ползучести и усталости, сложное НДС, распространение трещин, коррозионные повреждения, прогноз долговечности с заданной вероятностью разрушения.

Поскольку температура и время входят в решения реологических уравнений (2,3,5,6,7) в явном виде,то при случайных колебаниях температуры аналогично тому, как эго делалось при термоциклическом нагружении,производится пошаговое вычисление приращений деформаций

а) Ал. сплав 1201 Т1: в - равномерный вид спектральной плотности; а,л — гак спектральной плотности;

гладкие образцы -мягкое нагружошю.

10е <£

Лс-

Ю 40

в, О - 7га п£/7Т1£5С О Л №,П - Эизрегг& 1оп - Згас&е.£- . / / / У / /,

/ / / У / / /

/ 3 / ьМ у / / /

/ / / у / • А' / / / /

/ / / А У / / / / в, 13,А- С 40.21-50/1, шесткоъ о Мскп-Тет, .............1,.,„_______1-

Г/ / /

8)

ю

10*

10? Ю* 10*

Лр^Гл

Рис. 4. Сравнение'расчбтных к экспериментальных значений долговечности образцов при разных сг^ктрах нагружения: а - полигарм„яические процессы; б - реализации БАЕ;

(«,■.4 - гладкие образцы; о,а,л - образцы с КН). 20

и повреждений по структурным уровням. А спектр случайных изменений температуры моделируется подобно спектру нагрузок.

При усталостном нагружении, происходящем на фоне больших пластических деформаций, требуются переменные параметры реологических моделей или введение дополнительных структурных уровней, отражающих изменения в характере локальной повреадЗнности.На примере стали ЗОХ показано изменение характера локальной и величины объемной поврежденности при пластических деформациях, выявляемое анализом внутреннего трения в материале.

В случае сложного НДС в зависимости от соотношения главных напряжений и температуры меняется начальная энергия активации разрушения, изменяются вклады разных механизмов в общую деформацию и структура материала.Структурная модель материала здесь также может успешно применяться, если каждый структурный элемент представляет свой механизм деформации и разрушения с соответствующими энергиями активации и восприимчивостью к виду НДС. Воспроизведение в рамках структурной модели нескольких механизмов предскажет тот или иной ход процесса разрушения материала в зависимости от условий нагру-хения.

При воздействии коррозионной среда требуют решения две задачи: разрушение в коррозионной среде и разрушение в результате повреждений, созданных коррозионной средой. В первой задаче суммирование скоростей "химического" и механического разрушения выполняется на уровне каадого структурного элемента.Вторая задача сводится к учету в .моделях повреждений от коррозии. В зависимости от вида коррозионных повреждений материал можно рассматривать или как конструкцию с ККН (например, язвенная коррозия), или как обладающий дополнительным структурным фактором, изменяющим скорость деформации и разрушения (межкристаллитная коррозия). Соответственно это должно найта отражение ., в моделях конструктивного элемента или в моделях материала (увеличение параметра 7, дополнительный элемент Густере зисного типа).

При прогнозировании распространения макротрещин также необходим учет неупругих свойств материала. Использование реологических моделей, отражающих физическую картину процессов деформации и разрушения в окрестности вершины трещины, предоставляет новые возможности. Здесь можно заменить целый ряд частных подходов,имеющих ограниченный диапазон применимости.

Прогнозирование долговечности включает в себя кроме самой оцен-

ки еще и прогноз возможного разброса ее величины. Статистические закономерности в поведении материала должны быть выражены статистикой параметров его структурной модели.Выбрав вероятность тех или иных отклонений в параметрах, можно предсказать результат разрушения с данной вероятностью.

Все сказанное свидетельствует о перспективности предложенной концепции, какой бы случай разрушения мы ни рассматривали.

В заключении приведены следующие результаты и итоги работы.

1. Показано, что рассмотрение процессов разрушения и деформирования с позиций кинетической концепции прочности дает новую информацию о свойствах материалов и позволяет объединить в рамках одной идеологии решения частных задач статической прочности, ползучести, длительной прочности, термомеханической прочности и усталости.

2. Разработаны новые реологические модели материалов, построен- . ные с использованием уравнений физической кинетики и связанные с термодинамикой внутренних процессов в твердых телах.

3. Показана возможность связи физической реологии со структурными превращениями в материалах в процессе их разрушения.

4. Разработаны методики получения информации о свойствах материалов, достаточной для задач прогнозирования долговечности, с оптимальным объемом эксперимента.

5. Разработаны и экспериментально подтверждены методики прогнозирования долговечности материалов и элементов конструкций в широком диапазоне нагрузок и температуры (вплоть до абсолютного нудя) при различном характере их изменения.

6. Показана связь физических представлений кинетической концепции прочности с теорией внутреннего трения в металлах.

7. Сформулированы и экспериментально подтверждены принципы корректного моделирования реальных спектров случайного процесса наг-ружения и разработки форсированных или эквивалентных программ испытаний конструкций.

8. Показаны перспективы предлагаемых подходов в решении более сложных задач прочности, в замена существующих методов прогнозирования новыми, обладающими.большими возможностями и областью применения.

9. Предложенные подходы и методики, основанные на единой физической концепции, позволяют более корректно давать прогнозы долговечности элементов конструкций ЛА как на стадии проектирования, так и при их прочностной доводке в широком диапазоне температурно-

силовых воздействий, оценивать возможные последствия аварийных ситуаций (перегрузи!, перегревы) или анализировать причины презде-времешшх разрушений.

По теле диссертации опублико^аы следующие основные работы.

.Т.Петров М.Г. О некоторой зависимости мозду деформированием и разрушением твбрдых тол под нагрузкой // Журнал ПМТФ. - 1976. -вып. 6, - С. 122 - J26.

2.Петров М.Г. Установка для испытания образцов на усталость при переменных температурах // Заводская лаборатория.- 1976.- № в.-С. T0I3 - 1014.

3.Петров М.Г. Пневматическая система управления термомёханическк-ми испытаниями // Пневмоавтоматика: XIII Всесоюзно' совещание: Тезисы докл. - М.: Наука, 1978. - С. 249 - 251.

4.Петров М.Г. Роль релаксационных процессов в разрушении алюминиевых сплавов // Двп. ВИНИТИ АН СССР. - 1981. - Ji 2195-81.

5.Петров М.Г. О факторах, опроделяжщих процесс разрушения металлов при циклическом нагружошш // Ноше метода упрочнения и обработки металлов.- Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1981.- С. 65 - 75.

6.Петров М.Г. Прогнозирование усталостной долговечности образцов из дуралюмшга // Проблемы прочности.- 1983. - № 6. - С. 22 -24.

. 7.Петров М. Г. Определение доли рассеянной энергии, участвующей в процессе разрушения металла // XIII конференция по вопросам рассеяния энергии при колебании механических систем: Тезисы докл. - Киев: Изд-во ИПП, 1983. - С. 40.

8.Петров М.Г., Равикович А.И. Кинетический подход к анализу долговечности алюминиевых сплавов при комнатной, повышенной и криогенной температурах // II Всесоюзная конференция "Ползучесть в конструкциях": Тезисы докл. - Новосибирск:' Изд-во СО АЛ СССР, 1984. - С. 62 - 63.

Э.Петров М.Г., Равикович А.И. {(ременная и температурная зависимость прочности дуралвмина при статическом и динамическом наг' ружешш // Леп. ВИНИТИ АН СССР. - 1985. - * 8371-В. Ю.Петров М.Г. Моделирование релаксационных процессов, происходящих при разрушении сплава 1201 TI // Объемное и поверхностное упрочнение деталей машин. - Новэсибирск: Изд-во НЭТИ, 1987.- С. 32 - 39.

II.Петров М.Г., Равикович А.И. Исследование прочностных и деформационных свойств сплава 1201 TI в зависимости от температуры и длительности нагружения // Объемное и поверхностное упрочнение

деталей машин. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1937. - С. 95 - 103.

12.Петров М.Г. Прогнозирование долговечности пластичных материалов при произвольной форме цикла с различной асимметрией //III Все. союзная конференция "Соирсм-эшше проблемы строительной механики и прочности летателышх аппаратов": Тезисы докл. - Казань: Кзд-во КАИ, 1&88. - С. 119.

13.Петров М.Г. Разработка физической модели материала для прогпо-' зпровання долгове'пгаети дисперсионно твердеющих алюминиевых

сплавов // Структура и конструктивная прочность стали. - Новосибирск: Изд-во ЮТИ, 1389. - С. 80 - 36.

14.Петров М.Г. Структурная модель пластичных сплавов для прогнозирования долговечности по измерения« неупругости // XV конференция по вопросам рассоятьч энергии при колебаниях механических систем: Тезисы докл. - Киев: Изд-во ИПП, 1989. - С. 96.

15.Вишняков Н.А., Дмитриева Т.Н.,Петров М.Г. Моделирование случайных процессов нагружения псевдослучайными // Эксплуатационная нагружзнносгь и прочность авиаконструкций.- Новосибирск: Изд-во СибНИА, 1989. - ВЫП. 2. - 0. 3 - 8.

Гб.Петров М.Г. Об оценке пределов выносливости неразрушающим.методом // Сопротивление усталости и живуче сть авиационных конструкций. - Новосибирск: Изд-во СибИМА, 1990. - вып. 3. - С. 211 -217.

17.Петров М.Г. О прогнозировании долговечности при криогенных температурах // Объемное и поверхностное упрочнение сталей. - Ново сибирск: Изд-во НЭТИ, 1931. - С. 60 - 53.

18.Петров М. Г. Моделировашш реологических свойств материалов для задач прогнозирования долговечности //Прочностная доводка транспортных средств.- Н. Челны: Изд-во МП "Цикл", 1993. - находится в печати.

19.Петров М.Г. Структурная модель материала для прогнозирования долговечности и неупругости // Сопротивление усталости и живучесть авиационных конструкций. - Новосибирск: Иэд-во СибНИА, 1995. - ВЫП. I. - С. 103 - ИЗ.

20.Петров М. Г. Способ определения коррозионной стойкости материалов. - Патент РФ * 2016401, приоритет от 09.01.91.