автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Прогнозирование эксплуатационной циклической повреждаемости легких сплавов в элементах конструкций воздушных судов

РГб

Борисов Станислав Петрович

ОД

1 2 СЕН Г.-:?;

УДК 629.735.015.4

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ

05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете Гражданской Авиации

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор

Фролов В.П. доктор технических наук, профессор

Станкевич А.И. доктор технических наук, профессор Петухов Л.Н.

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации.

Защита состоится _ 1998г. в_час.

На заседании диссертационного Совета Д.072.05.01 при Московском Государственном Техническом Университете Гражданской Авиации (по адресу: 128838 Москва, Кронштадтский бульвар, 20).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан:«_»__ 1998г.

Отзывы просим направлять в двух экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 128838 Москва, Кронштадтский бульвар, 20; диссертационный совет Д.072.05.01

Ученый секретарь диссертационного Совета

У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

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 надежностн 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, H.H. Афанасьев, С.Д.Волков, В.В.Болотин, J1.M. Школьник, В.Т.Трощенко, С .Я. Ярема, B.C. Иванова, И.А. Биргер, Р.М.Шневдерович, В.П. Когаев, H.A. 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, B.JI. Райхера, А.З. Воробьева, В.В. Сулимеккова, В.Н. Стебенева, Г.И. Нестеренко, Р.В. Сакача, И.А. Биргера, Б.Ф. Балашова, P.A. Дульнева, А.Н. Петухова, P.P. Мавлютова, Б.В. Бойцова, С.И. Кишкияой, П.Г. Микляева, В.Г. Кудряшова, Б.И. Олькина, Г. А. Григорьева и др.

Вероятностно-статистические методы оцени- 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, Ю.М.Парамонова, Т.А.Француза,

B.Л.Райхера, Б.В.Бойцова, Л.В.Коновапова, С.Д.Дмитричснко, Ю.Н.Благовещенск ого, А.С.Гусева, Л.В.Агамирова и др.

Изучению физической природы усталостных явлений, разработке вопросов подобия процессов циклической повреждаемости посвящены работы: И.А.Одиига, Я.Б.Фридмана, В.С.Ивановой,

C.И.Кишкиной, А.А.Шанявского, 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, СЛ.Иванова, В.ФЛавяова 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 19651997гг. 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 И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

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 основные задачи:

1. Проанализировать виды эксплуатационных повреждений и процессы, влияющие на циклическую долговечность конструкции самолетов ГА, определить характерные критические зоны и выбрать объекты исследования.

2. 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.

3. Исследовать закономерности кинетики напряженного состояния в критических зонах в условиях эксплуатационных силовых воздействий и разработать методику расчета.

4. Изучить закономерности кинетики напряженного состояния в критических зонах в условиях эксплуатационных и технологических температурных воздействий. Разработать

методику расчета релаксации напряжений в элементах авиационных конструкций применительно к особенностям температурных воздействий, характерных для самолетов ГА.

5. Разработать инженерные методы прогнозирования циклической долговечности по критерию появления усталостных макротрещин в условиях кинетики напряженного состояния.

6. 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 развитая усталостных трещин.

7. 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.

8. Основываясь на результатах теоретических и экспериментальных исследований, разработать и модифицировать методики инженерной оценки циклической долговечности на стадии развития усталостных трещин.

9. Обосновать эффективность разработанных подходов и методик решением ряда задач по прогнозированию циклической долговечности элементов конструкции самолетов ГА.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:

- исследование кинетики свойств материалов проводили путем оценки характеристик механических свойств в соответствии с существующими стандартами, регламентирующими форму, размеры, технологию изготовления 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 И.М. 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 иагружениях, сформированных в соответствии с требованиями нормативных документов. Изделия испытывали на специальном стенде при нагружении, моделирующим эксплуатационные нагрузки;.

- экспериментальные исследования кинетики напряженного состояния осуществляли путем определения самоуравновешешшх 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 нафужения использовали методы теории упругости, теории малых упругопластических 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 квантальных 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».

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ:

- разработан общий подход и методики расчета кинетики циклической повреждаемости легких сплавов в условиях эксплуатационных и технологических силовых и температурных воздействий, характерных дм 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 модифицированная трактовка гипотезы линейного накопления повреждений;

- разработан и экспериментально обоснован общий подход к оценке циклической повреждаемости изделий из легких сплавов, упрочненных ППД.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ:

- в разработке инженерной методики расчета циклической долговечности элементов конструкций го 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 нагружеиия и подходы, основанные на использовании методов расчета с раздельным учетом геометрических особенностей и нагруженности и с использованием линейной гипотезы накопления усталостных повреждений.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ:

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.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- 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 трещин 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 го легких сплавов, упрочненных ППД, в условиях силовых и температурных воздействий, характерных для элементов

; конструкции самолетов ГЛ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальные исследования влияния ряда эксплуатационных, технологических 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 Ш1-62, ИЛ-86, ТУ-154, ТУ-134, Ан-24, АН-12, а сами НИР выполнялись в рамках соответствующих планов научно-технических мероприятий МАП, МГА, ДОТ МТ РФ.

Экспериментальные исследования влияния длительности н условий эксплуатации на характеристики статической прочности и сопротивления усталости ряда деформируемых н литейных сплавов, исследование кинетики напряженного состояния, разработка I методик прогнозирования 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 доя 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.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные разделы и результаты докладывались и обсуждались:

1.На Всесоюзной научно-технической конференции «Остаточные напряжения и несущая способность деталей машин», Харьков, 7-10 октября 1969.

2. На Всесоюзном научно-техническом совещании «Статистические вопросы прочности и динамики машин», Рига, 7-9 апреля 1976.

3. На VI конференция по усталостной прочности, Новосибирск, 4-8 июня 1977г.

4. На международной научно-технической конференции «Влияние применяемой технология на качество тяжелых рабочих машин с особым учетом несущих конструкций», ПНР, Варшава, 19-20 октября 1978.

5. На IV Всесоюзной научно-технической конференции «Эффективность и оптимизация систем и процессов гражданской авиации», Москва, 22-23 марта 1979.

6. На рабочем совещании по проблеме «Механические колебания и надежность поврежденных упругих систем», ГКНТ, ЦП НТО МашПром, ГосНИИ ЭРАТГА, МИИГА, Рига, 24-26 апреля 1980.

7. На Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития методов технической эксплуатации авиационной техники», Киев, 29-31 мая 1979.

8. На Всесоюзной конференции по усталости металлов, Москва, ИМЕТ, 1982.

9. На научно-технической конференции «Комплексное обеспечение ресурса авиаконструкций», Жухонский, 15-18 марта 1983.

10. На ГУ Всесоюзном научно-техническом совещании «Динамика и прочность поврежденных конструкций авиационной техники», Москва, МГА, ГосНИИ ГА, 1983.

11. На втором Всесоюзном съезде по теории машин и механизмов, Одесса, 14-18 сентября 1982.

12. На Всесоюзной научно-технической конференции «Инженерно-авиационное обеспечение безопасности полетов», Москва, МИИГА, 24-26 апреля 1985.

13. 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.

15. На международной научно-технической конференции «Наука и техника гражданской авиации на современном этапе», Москва, март 1994.

16. На научно-технических семинарах «Обеспечение надежности эксплуатации авиационной техники», Москва, ВДНХ, сент. 1977, сент. 1978.

17. На заседаниях научно-исследовательского отдела предприятия п/я А-3282 в 1965-1975гг., НТС ряда отделений ГосНИИ ГА в 1975-1995тт., на заседшшях секции прочности машин ЦП НТО МашПром в 1969-1980гг., на научно-технических конференциях МАТив 19б7-1975гг. иМГГУ ГА(МИИГА)в 1975-1997гг.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты исследований изложены в 51 печатной работе, 28 отчетах по НИР, в трех учебных пособиях для вузов ГА.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы 4 28 наименований, приложения и содержит 3ч1 стр. Основного текста, 223 рисунка 2 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обосновываются актуальность темы диссертационной работы, содержание и основные задачи исследований, выбор объектов исследований и материалов. Отмечается, что с усталостным разрушением металлов сталкиваются инженеры-эксплуатационники практически любой отрасли машиностроения. Воздействию переменных во времени нагрузок подвергаются элементы конструкций транспортных машин, двигателей различного назначения, суда, гидротехнические и строительные сооружения, детали металлургических машин и подъемно транспортного оборудования и т.п. Во многих случаях переменная локальная нагруженность возникает вследствие особенностей функционирования деталей (валы, оси, зубчатые колеса и т.п.). Усталостные явления чрезвычайно многообразны, в связи с чем возникли различные научные направления, изучающие

закономерности циклической повреждаемости материалов применительно к условиям и особенностям процессов функционирования машин и механизмов различного назначения. Исследования в области механики циклического разрушения ведутся в крупнейших научно-исследовательских лабораториях, самолетостроительных и аэрокосмических центрах США, Англии, Франции, ФРГ, Японии и ряде других стран. В нашей стране эти проблемы в различных аспектах изучаются во многих научно-исследовательских оргшгазациях, в том числе в ЦАГИ, ИМАШ, ВИАМ, ВИЛС, ВИСХОМ, НАТИ, ЩАМ, ГосНИИ ЭРАТ ГА и др., во многих вузах, например в МАШ (РГТУ), МАИ, МГТУ (МВТУ), МЭИ, САКУ (КуАИ) и др. Огромный экспериментальный материал, опыт практических расчетов и обеспечения эксплуатационной надежности по критериям сопротивления усталости накоплен в самолетостроительных, кораблестроительных,

двигателестроительных, сельхозмашиностроительных и ряде других специализированных предприятий и организаций нашей страны.

Несмотря на большие успехи теоретической и экспериментальной механики циклического разрушения методы расчетов и испытаний на прочность при действии циклических напряжений требуют дальнейшего совершенствования. Об этом , в частности, свидетельствует и практика эксплуатации летательных аппаратов. В работе приведены результаты анализа неисправностей, зафиксированных в ходе оценки технического состояния самолетов ТУ-154 Б и М, отремонтированных на заводе № 411 ГА В'1'992г., и в первом полугодии 1993г. Из этого анализа следует, что наибольшее число неисправностей относится к группе «Планер», а для планера наибольшее количество неисправностей относится к конструкции крыла и фюзеляжа. Наиболее характерный вид неисправностей для фюзеляжа - коррозия и трещины в обшивке и элементах силового набора. Для крыла основной вид неисправностей - появление трещин в обппшке, продольных и поперечных силовых элементах, разрушение деталей крепления силового набора к обшивке. Анализ нагруженности, условий и практики эксплуатации также показал, что одной из наиболее повреждаемой является и система шасси. Это, в частности, подтверждается тем, что наработка на отказ у системы шасси для многих типов самолетов намного меньше, чем у других систем. В системе шасси наиболее интенсивным воздействиям циклических напряжений подвергаются барабаны колес.

Далее в работе кратко анализируются различные подходы, используемые для оценки эксплуатационной надежности элементов конструкций по критерию сопротивления многоцикловой усталости,

требования к объему и содержанию исходной информации, вытекающие из особенностей систем технического обслуживания и ремонта, а также из общих принципов обеспечения безопасности полетов и построения программ технического обслуживания летательных аппаратов. Отмечается, что решение многих задач оценки параметров эксплуатационной надежности по критерию сопротивления усталости требует детального исследования процессов, определяющих возникновение отказов при функционировании механических систем. Рассматривается общая схема формирования показателей надежности механической системы по критерию сопротивления многоцикловой усталости (рис.1.). Сопротивление элементов конструкций усталости зависит прежде всего от материала, технологии производства полуфабриката и уровня конструктивных решений. В процессе производства, эксплуатации и ремонта элементы конструкции летательных аппаратов испытывают воздействием различного характера и разной интенсивности, в результате которых формируются служебные свойства материалов, технологические поля напряжений и от которых зависит интенсивность изменения свойств материалов и напряженности. Количественные характеристики сопротивления конструктивных элементов усталости зависят от условий эксплуатации и характера процессов функционирования. При этом в зависимости от особенностей той или иной критической по усталости зоны могут реализоваться различные процессы, влияющие на кинетику циклической повреждаемости. Свойства материалов могут изменяться вследствие накопления усталостных и коррозионных повреждений, а также структурных изменений. Ползучесть, перегрузки, структурные изменения материала могут изменять напряженно-деформированное состояние и оба этих фактора могут существенно влиять на интенсивность процессов циклической повреждаемости и, следовательно, на показатели надежности.

СХЕМА

формирования показателей надежности по критсршфопротивлсния многоцикловой усталости в критической зоне механической системы

Формирование исходных свойств надежности

Технолог, про д. произведет, полуфаб. и изделий

Процессы ремонта я

техн. обслуживая.

Уровень конструкгивн. Решений

_1_:

Эксплуатационные воздействия

Условия эксплуатац. (механнч., температ., физич., химия., биол. воздействия).

Процессы функнион. (деформ. в условиях цикл., нагруж. физ.-химич., процессов взанм. с окр. средой).

Процессу обуславливающие кинетику поврежд.

Старение

Коррозиен поврежд.

Кинетика свойств, материалов.

Усталост. поврежд.

Перегруз Ползучесть

' Г

Кинетика циклической повреждаемости

Эксплуат. циклич.

_шаи

Кинетика напряженного состояния

Показатели эксплуатационной надежности

к-

Рис.1.1.

На основе анализа нагружейности, условий функционирования и эксплуатационных неисправностей элементов конструкций и систем самолетов ГА в качестве основных объектов исследований были выбраны обшивка, продольный силовой набор фюзеляжа и крыла, барабаны колес шасси самолета и используемые при изготовлении этих конструктивных элементов сплавы Д16, В95, В91, АК4-1, АК8, АВ, ВМ65-1, МЛ5, МЛ 12. При экспериментальном и математическом моделировании процессов функционирования предполагали, что в регулярных зонах напряжения не превышают предел упругости, при циклических напряжениях нагруженность соответствует многоцикловой усталости. При статических перегрузках реализуются малые упругопластические деформации, а при температурных воздействиях - неустановившаяся ползучесть. Внешние физико-химические воздействия соответствовали условиям и длительности эксплуатации основных объектов исследования.

На основе анализа требований к разработке новых концепций и систем ТОиР, общих принципов обеспечения безопасности полетов и построения программ технического обслуживания летательных аппаратов, состояния научных исследований и практики инженерных расчетов по оценке циклической повреждаемости и эксплуатационной надежности сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе изложены результаты исследования влияния условий эксплуатации и наработки на сопротивление авиационных материалов деформациям и разрушению. Отмечается, что влияние условий и длительности эксплуатации на процессы циклической повреждаемости может быть прямым и косвенным. Кроме изменения свойств материалов, непосредственно характеризующих сопротивление усталости, изменение вида и параметров диаграмм растяжения может сказываться на кинетике напряженно-деформированного состояния в процессе эксплуатации и тем самым на кинетике циклической повреждаемости. - Были поставлены и решены следующие основные задачи: 1. Провести комплекс экспериментальных исследований по оценке влияния условий эксплуатации и наработки на характеристики механических свойств ряда легких сплавов, используемых в высоконагруженных и подверженных воздействию циклических напряжений элементах конструкции планера самолетов ГА и барабанах авиационных колес;

2. С целью объективной оценки кинетики механических свойств материалов провести статистический анализ выполненных исследований и результатов ряда аналогичных исследований, изложенных в технической литературе;

3. Сформулировать требования к методике постановки и проведения исследований по влиянию наработки на сопротивление материалов деформациям и разрушению, обеспечивающие возможность сопоставления полученных результатов, их объективный анализ и накопление опытных данных.

При обобщении материалов по кинетике свойств легких сплавов при эксплуатационных воздействиях были использованы результаты научно-исследовательских работ, выполненных под руководством и при участии • автора по заказу предприятий авиационной промышленности и ГА в МАТИ и МИИГА, а также работы, выполненные в ВИАМ, ВйЛС, РИИГА и др.

При проведении экспериментальных исследований по оценке влияния длительности эксплуатации на характеристики механических свойств сплавов МЛ5 и МЛ12, используемых в конструкции барабанов авиационных колес, из новых изделий и изделий, отработавших ресурс или доведенных до разрушения на стенде, изготавливали стандартные образцы диаметром рабочей части 6мм. По результатам испытаний на растяжение в соответствии с ГОСТ 1497-73 определяли основные механические характеристики материалов. В зонах, подвергавшихся поверхностному пластическому деформированию (ГОТД), механические характеристики материалов определяли на микро образцах диаметром рабочей части 1мм., а также на специальных трубчатых образцах. Проводили также измерение микро-твердости до и после усталостных испытаний.

Исследование влияния условий эксплуатации на характеристики механических свойств материалов, используемых для элементов конструкции планера самолетов ГА, проводили на образцах из сплавов типа Д16 и В95 применительно к условиям работы обшивки и продольного силовою набора. Образцы для испытаний изготавливали из конструктивных элементов, снятых с самолетов АН-12, АН-24, ТУ-134, ТУ-154Б, Ил-62 с определенной наработкой или из соответствующего полуфабриката, в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84.

Применительно к каждой зоне конкретного изделия испытывали от 4 до 20 образцов. Результаты обрабатывали методами математической статистики. Заключение о влиянии или отсутствии влияния наработки и условий эксплуатации на характеристики механических свойств делали на основании проверки гипотез о

равенстве дисперсии и средних значений соответствующих характеристик материалов с наработкой и без наработки, а также на основе статистического и инженерного анализа совокупности данных, относящихся к различным типам самолетов.

Влияние наработки на характеристики сопротивления материалов усталости оценивали, статистически сопоставляя длительность развития усталостных трещин на однотипных образцах и параметры кинетического уравнения для скорости роста усталостных трещин.

Одним га важнейших факторов, вызывающих изменение сопротивления материалов усталости, а также деформациям и разрушению является коррозия. С целью оценки влияния эксплуатационных коррозионных повреждений на характеристики механических свойств при статистическом нагружении из элементов конструкции фюзеляжа самолетов ТУ-134 и ТУ-154Б с интенсивными коррозионными поражениями вырезали образцы, форму и размеры которых выбирали в зависимости от характера коррозионных повреждений, вида, размеров и конфигурации заготовок. Образцы без коррозионных повреждений вырезали из тех же конструктивных элементов.

Было установлено, что все характеристики механических свойств образцов с коррозионными повреждениями из сплавов Д16АТ и В95Т1 ниже соответствующих характеристик образцов без коррозионных поражений. Наибольшее отличие наблюдается для характеристик ' пластичности, наименьшее - для истинного сопротивления разрыву,- С увеличением относительной глубины коррозионного поражения влияние коррозии на характеристики механических свойств усиливается, хотя при эксплуатационных коррозионных поражениях в пределах 0,045 до 0,12 от толщины обшивки некоторые характеристики не имеют четкой тенденции к изменению.

Влияние коррозионных повреждений на 'сопротивление материалов появлению и развитию усталостных трещин исследовали на образцах из сплавов Д16АТ с искусственными коррозионными повреждениями общей (ОК) и расслаивающей коррозией (РК). Степень коррозионного поражения оценивали по среднему значению глубины коррозионного поражения, которую устанавливали методами металлографического анализа. При испытаниях на усталость фиксировали числа циклов до появления . усталостных трещин и до разрушения. При анализе результатов испытаний выделяли эффект, связанный с потерей площади сечения на глубину коррозионного поражения и дополнительный эффект за счет изменения свойств слоев материала, прилегающих к

пораженной поверхности. Было, в частности, установлено, что коррозионные поражения различной степени (до 20%) примерно одинаково уменьшают циклическую долговечность, определенную с учетом уменьшения площади сечения (и соответствующего увеличения напряжений) на величину коррозионного поражения.

Влияние наработки и эксплуатационных коррозионных повреждений на сопротивление материалов деформациям и разрушению предложено учитывать с помощью коэффициентов:

Индекс «Н» введен для обозначения коэффициентов, учитывающих влияние наработки, и характеристик материалов с наработкой.

Индекс «К» введен для обозначения коэффициентов, учитывающих влияние эксплуатационных коррозионных повреждений, и для характеристик материалов с коррозионными повреждениями.

Коэффициенты, учитывающие влияние коррозии, определяются как отношение соответствующих характеристик для материалов с коррозионными повреждениями и без них при одинаковой наработке.

Коэффициенты, учитывающие влияние наработки и коррозионных повреждений на циклическую долговечность до появления усталостных макротрещин, вычисляются для рассматриваемой амплитуды напряжений как отношение циклической долговечности материалов с наработкой N и и с коррозионными повреждениями Ихд соответственно к циклической долговечности материалов без наработки N и с заданной наработкой N н- Амплитуда напряжений при коррозионных поражениях вычисляется с учетом уменьшения площади поперечного сечения образца на величину, соответствующую глубине коррозионного

поражения.

Совместное влияние наработки и коррозионных повреждений может быть учтено произведением соответствующих коэффициентов. Например:

ы,

<ь

ЯЬя

Из результатов исследований следует, что при относительной глубине коррозионного поражения до 0,2 от толщины можно принять, что коэффициенты Кн м и Км в первом приближении от амплитуды напряжений не зависят.

... Приведены значения коэффициентов, полученные в результате обобщения экспериментальных данных, относящихся в основном к материалам элементов конструкции планера самолетов ГА, не получивших значительных циклических повреждений на стадии до появления усталостных макротрещин.

На основании проведенных исследований были сделаны следующие основные выводы:

1. При наработке до 30 лет временное сопротивление сплавов типа Д16и В95, используемых для обшивки и продольного силового набора крыла и фюзеляжа самолетов ТУ-154, ТУ-134, ИЛ-62, АН-24, АН-12 практически не изменяется. Условный предел текучести в ряде случаев повышается на 3-8%.

Относительное остаточное удлинение при разрыве имеет тенденцию к уменьшению. Уменьшение может составить от 10 до 30 %. Характеристики сопротивления материалов развитию усталостных трещин с наработкой не ухудшаются.

Для литейных сплавов, используемых в конструкции барабанов колес шасси самолетов, эксплуатация в пределах назначенного ресурса до списания может приводить к уменьшению временного сопротивления до 5 %, повышению предела текучести до 20% и уменьшению относительного остаточного удлинения при разрыве до 30%. Число циклов до появления усталостных трещин в материалах с выработанным ресурсом может уменьшаться в 1,5-2 раза.

Приведенные оценки получены при сопоставлении средних значений. Дисперсии механических характеристик материалов с

наработкой и без наработки ' при статическом нагружении практически одинаковы. Дисперсии чисел циклов до появления усталостных трещин в литейных сплавах при выработке ресурса могут существенно возрастать.

2. Эксплуатационные коррозионные поражения, характерные для конструкций и условий эксплуатации самолетов ТУ-154 и ТУ-134, могут снижать для сплавов В95 и Д16 временное сопротивление в зависимости от степени коррозионного поражения на 5-20%, условный предел текучести на 10-23%, относительное остаточное удлинение при разрыве на 40-80%.

3. Коррозионные повреждения сплава Д16АТ общей коррозией глубиной до 20 % толщины могут вызывать снижение циклической долговечности по критериям появления усталостной трещины и разрушению в пять-восемь раз. При этом основной эффект снижения циклической долговечности обусловлен уменьшением площади поперечного сечения образцов вследствие коррозии.

Изменение свойств материала и эффекты концентрации напряжений в зонах с коррозионными поражениями могут привадить к дополнительному уменьшению циклической долговечности на 20-40% по отношению к циклической долговечности, определенной с учетом уменьшения площади поперечного сечения, соответствующего глубине коррозионных поражений, определенной металлографическим методом.

Коррозионные повреждения сплава Д16АТ расслаивающей коррозией глубиной до 15 % толщины материала могут вызывать снижение циклической долговечности по критериям появления усталостной трещины и разрушению в 6-8 раз. Основной эффект обусловлен уменьшением площади поперечного сечения. Дополнительный эффект за счет изменения свойств материала и влияния концентрация напряжений составляет 60-70%.

В третьей главе рассматривается кинетика напряженного состояния при эксплуатационных воздействиях, разрабатываются методики расчета релаксации напряжений применительно к материалам, условиям и процессам функционирования элементов силовых конструкций Л.А.. Отмечается, что для структурно стабильных материалов поля напряжений могут формироваться либо под действием только рабочих напряжений, либо в сочетании напряжений от рабочих нагрузок с самоуравновешенными напряжениями, наведенными в деталях путем специальных технологических операций и при внешних силовых и температурных воздействиях. Условия эксплуатации могут существенно влиять на закономерности распределения напряжений. Если исходить го стабильности внутренней структуры материалов,

то основными факторами, обуславливающими кинетику напряженного состояния могут бьггь циклические нагрузки, кратковременные статистические перегрузки и ползучесть.

Далее рассматривается задача об определении нормальных напряжений после воздействия перегрузок, под которыми понимается любое нагружение, приводящее к возникновению напряжений, превышающих предел упругости материала. Задача рассматривается с учетом эксплуатационной и технологической наследственности, выражающимся в наведении самоуравновешенных напряжений и изменении сопротивления материалов деформациям и разрушению, и принципиально сводится к теореме о разгрузке. Апробирование методики расчета на легких сплавах и сталях с наведенными остаточными напряжениями показало, что точность полученных расчетом результатов сильно зависит от правильного учета особенностей диаграмм деформирования отдельных слов материала.

При исследовании влияния циклических напряжений на кинетику напряженного состояния был проанализирован ряд известных в технической литературе работ, связанных с этой проблемой, в том числе работы, посвященные исследованию влияния циклических напряжений на закономерности распределения остаточных напряжений. Экспериментальная часть исследований включала исследование влияния эксплуатационных рабочих циклических нагрузок на кинетику напряженного состояния в критических по усталости зонах барабанов авиационных колес, выполненных из магниевых литейных сплавов МЛ5 и МЛ 12. Влияние циклических напряжений оценивали путем сопоставления начальных эпюр остаточных напряжений, наведенных путем обкатки барабанов роликом, и эгаор остаточных напряжений после циклического нагружения вплоть до разрушения. Циклическая долговечность составляла (2,5-;5)106 циклов. Было установлено, что циклические напряжения практически не повлияли на величину и характер распределения остаточных напряжений, что согласовывается с большинством результатов, описанных в технической литературе.

Исследования по оценке влияния ползучести на кинетику напряженного состояния включали:

1. Анализ и экспериментальное апробирование теорий ползучести и их математической интерпретации с целью описания процессов релаксации напряжений.

2. Анализ влияния рада факторов, характерных для процессов релаксации напряжений авиационных конструкций, в том числе

протекания ползучести при растяжении и сжатая и оценку влияния предварительной пластической деформации.

3. Экспериментальное изучение последействия ряда конструкционных сплавов: МЛ5, МЯ12, МВ65-1, АК4-1 и др.

4. Разработку методики расчета релаксации напряжений.

5. Экспериментальное апробирование методики расчета кинетики напряженного состояния при ползучести.

6. Исследование статистических аспектов ползучести и вероятностное описатю процесса релаксации напряжений. Исследование сопротивления материалов ползучести и кинетики

напряженного состояния проводили на образцах, макетах изделий и барабанах авиационных колес, изготовленных из сплавов МЛ12, ВМ65-1.МЛ5, АК4-1 и др.

При выборе теорий ползучести было обращено особое внимание на наиболее точное описание начального участка кривых ползучести в характерных для эксплуатации изделий диапазонах изменения напряжений и температур. Из анализа литературных источников был сделан вывод, что для материалов, структура и свойства которых не изменяются при длительном воздействии рабочих температур, результаты испытаний на релаксацию и ползучесть при относительно малых деформациях ползучести достаточно хорошо описываются уравнениями, получаемыми на основе теории упрочнения. С целью обоснования выбора вида уравнения состояния были проведены систематические исследования ползучести сплава МЛ12. На основании сопоставления теоретических и экспериментальных кривых ползучести и релаксации напряжений был рекомендован степенной закон упрочнения.

Рассмотрены методики расчета релаксации напряжений и напряжений после разгрузки при равномерном распределении напряжений по сечению и постоянстве полной деформации, при произвольном распределении напряжений по сечению и постоянстве полной деформации, а также в случае, когда не накладывается никаких ограничений на деформации. Экспериментальное апробирование методики расчета релаксации напряжений проводили на барабанах авиационных колес, макетах изделий и образцах. Объекты исследования с наведенными путем поверхностного пластического деформирования напряжениями помещали в печь и выдерживали определенное время. Кинетика напряженного состояния изучалась путем сопоставления эпюр остаточных напряжений. Эксперименты проводили как при постоянных так и при переменных температурах.

Вероятностные аспекты ползучести были исследованы на сплаве АК4-1. При этом были поставлены следующие задачи:

а установить закономерности рассеяния накопленной

деформации ползучести; И исследовать закономерности рассеяния параметров уравнения состояния;

а разработать математическую модель процесса релаксации напряжений, позволяющую определять уровень напряжений с заданной надежностью. Было установлено, что накопленная деформация ползучести подчиняется логарифмически-нормальному закону распределения. Уравнение кривых ползучести для уровня вероятности Р можно записать в виде:

Р__ | и т _ ^п

^ т

где ш, п и Вр - параметры, причем параметр Вр зависит от вероятности.

Предложенная статистическая интерпретация уравнения состояния позволяет рассчитать релаксацию напряжений с учетом их рассеяния, обусловленного разбросом свойств материала и погрешностей эксперимента. Например, время релаксации напряжений от величины сг„ до сг=СТо^, соответствующее вероятности ч=1-Р, при постоянной полной деформации и постоянной температуре может быть рассчитано по зависимости:

-т + в + 1 I (, Ла

, £о_ ГУ1-1*) ,,

и = г }—Тп-«4

% Вр -Еа+1 *

где _ 1 - т

а - ^ ,т ,п, В - константы материала.

Приведены примеры использования разработанных методов описания процессов ползучести и релаксации напряжений для обоснования критериев и практической оценки релаксационной стойкости и корректировки химического состава ряда модификации сплавов, применяемых в конструкции барабанов авиационных колес.

В четвертой главе представлен комплекс исследований циклической повреждаемости легких сплавов при одноосном нагружении, ставивших целью решение следующих основных задач:

■ разработку методов прогнозирования циклической повреждаемости на стадии до появления усталостных макротрещин в условиях кинетики напряженного состояния;

В анализ возможностей стандартных испытаний на изгиб с вращением с целью определения характеристик сопротивления материалов развитию усталостных трещин в элементах авиаконструкций типа стержней и массивов;

В изучение вероятностных аспектов закономерностей развития усталостных трещин;

В исследование закономерностей развития фронта усталостных трещин в связи с влиянием вида нагружения;

В исследование стадийности процесса развития усталостных трещин.

Задача об определении циклической повреждаемости в условиях изменения параметров цикла напряжений решается в рамках линейной гипотезы накопления усталостных повреждений. Условие появления усталостной макротрещины записывается в виде:

где NK(aa) - число циклов до появления усталостной макротрещины при регулярном нагружении с амплитудой с„; (р^.сг,) - функция, характеризующая влияние среднего напряжения на процесс накопления усталостных повреждений.

На основе анализа ряда экспериментальных результатов предложено функцию, учитывающую влияние средних напряжений, записывать в экспоненциальном виде:

9{о-т<та)=ехр(а-сгт)

Рассмотрен случай блочного нерегулярного нагружения, когда на исходный нерегулярный режим нагружения накладываются поля напряжений, монотонно меняющиеся во времени. Для числа блоков нагружения до появления усталостной макротрещины получена зависимость:

=

К ,ucx

^(^■ceOO)

где V,, „а - число блоков нагружеиия до появления.усталосткой макротрещины при исходном режиме нагружеиия;

9(о,„(у,)) - значение функции, учитывающее влияние средних напряжений цикла, при среднем напряжении, равном эквивалентному напряжению монотонно меняющихся напряжений. Выводятся расчетные соотношения для вычисления эквивалентных напряжений. В частности, при линеаризации монотонно изменяющихся напряжений эквивалентные напряжения могут быть вычислены по зависимости:

¡am(v)dv

VK

Для предельных амплитуд предлагается зависимость:

Приведены результаты исследований циклической поврезвдаемости сплавов АКб, АК4-1, АВТ, МЛ12, Д16АТ, В91 на стандартных образцах при испытании на изгиб с вращением, при растяжении-сжатии и на поперечный изгиб. При изгибе с вращением установлена тесная корреляционная связь между длиной трещины по поверхности и ее глубиной, не зависящая от уровня напряжений, материала и диаметра образцов. Проанализирована кинетика номинальной напряженности в процессе роста усталостных трещин. Было установлено, что характер номинальной напряженности отдельных точек фронта усталостной трещины сильно меняется по мере ее роста, амплитуда и средние напряжения цикла в отдельных точках изменяются немонотонно, максимальные напряжения достигают предела текучести при длине трещины по поверхности в 2-Змм.

Проанализированы статистические закономерности циклической повреждаемости при изгибе с вращением, растяжении-сжатии и поперечном изгибе. При длительности развития усталостных трещин в пределах 0,15-0,45 от числа циклов до разрушения

наблюдалась тесная корреляционная связь между логарифмами чисел циклов до разрушения и до появления усталостных трещин. Коеффициенгы корреляции между логарифмами чисел циклов до появления усталостных трещин и до разрушения и периодом их развития в большенстве случаев могут быть приняты равными нулю. Концентрация напряжений, исходные свойства материала и технология получения полуфабрикатов влияют на соотношения между периодами циклической повреждаемое™ и на интенсивность развития усталостных трещин. Конфигурация трещин определяется видом нагружения и напряженным состоянием в поле траектории трещины и не зависит от параметров режима нагружения.

Установлено, что распределения чисел чиклов до достижения трещиной определенной длины и чисел циклов развития трещины от начальной длины до некоторой фиксированной длины не противоречат логарифмически нормальному распределению, а дисперсия логарифма наработки остается статистически постоянной.

На основе установленных вероятностных закономерностей развития усталостных трещин предложена методика построения кривых развития усталостных трещин по параметру "вероятность". Сопоставление кривых развития усталостных трещин при однопараметрических режимах нагружения, анализ их кинематических характеристик показали, что в определенных диапазонах длин трещин и напряжений наблюдается подобие по параметру "напряжение", а скорость роста усталостных трещин может быть определена из уравнения:

/•/а =В-сг"

Сопоставление экспериментальных и расчетных кривых роста усталостных трещин при различных режимах, видах нагружения и геометрии образцов показало, что диапозон длин трещин, чисел циклов и уровней напряжений, в которых соблюдается подобие кривых роста усталостных трещин, зависит от геометрии образцов, вида испытаний и уровней нагруженное™.

Более общие результаты получены с использованием подходов механики разрушения. Сопоставлением кинетики циклической повреждаемости сплавов МЛ 12 и АК6 показано, что подходы мехшшки разрушения, основанные на использовании силовых характеристик, могут быть эффективны в тех случаях, когда доля повреждения, накопленного в материале на стадии, предшествующей развитию усталостной трещины, относительно невелика, что может быть оценено по относительной длительности развития усталостных трещин или более точно по отсутствию

корреляции между длительностью нагружения до появления усталостных трещин и длительностью их развития. Для сплава АК6 наблюдалась тесная корреляция между размахом КИН и скоростью роста усталостных трещин. При этом усталостные трещины длиной 0,1мм на гладких образцах при исследованных режимах нагружения появлялись при числе циклов, составлявших 80-90% от общей долговечности. Для сплава МЛ12 четкой корреляции между этими параметрами не наблюдалось, усталостные трещины длиной 0,1мм появлялись при числе циклов составлявших 10-20% от общей долговечности, а закономерности роста усталостных трещин сильно отличались от сплава АК6, что, как показали фрактографические исследования было связано с интенсивным образованием новых очагов усталостного разрушения в поле траектории усталостных трещин. Было проведено сравнение некоторых, нашедших наибольшее употребление в инженерной практике математических моделей для скорости роста усталостных трещин, использующих подходы механики разрушения. В частности, показано, что одной из наиболее точных можно считать двухпараметрическую зависимость, связывющую скорость роста усталосньгх трещин с размахом КИН. На представительном экспериментальном материале проанализированы вероятностные закономерности, вытекающие из этой модели, законы распределения параметров, предложена вероятностная трактовка кинетического уравнения, основанная, в частности, на установленной тесной корреляции между параметрами уравнения.

На совокупности экспериментальных данных при различных видах нагружения показана практическая приемлемость гипотезы о постоянстве КИН по фронту усталостных трещин в процессе их развития.

Пятая глава посвящена исследованию влияния эксплуатационных и конструкционных факторов на структуру и параметры кинетического уравнения роста усталостных трещин в условиях одноосного нагружения. Проанализированы основные предожения, представленные в технической литературе, по аналитическому описанию влияния асимметрии нагружения на скорость роста усталостных трещин, а также данные опытов. На основе результатов выполненного анализа и исходя из общефункционального подхода, функцию, ■ учитывающую влияние асимметрии нагружения предложено выбирать в виде многочлена относительно коэффициента асимметрии И. . Отмечается, что подбирая коэффициенты и степень многочлена можно описать такие эффекты, как относительно небольшое влияние асимметрии нагружения в диапозоне коэффициентов асимметрии 0,4<К<0,6, увеличение этого влияния при приближении Я к 1 и 0, влияние

циклов сжатия при К<0, наличие нижнего порогового значения размаха КИН. Проведены результаты целевых экспериментальных исследований и поправочные функции для сплава Д16-АТ.

С целью оценки границ корректного использования кинетического уравнения для скорости роста усталостных трещин проведен анализ физико-механических особенностей процесса роста усталостных трещин. Показано, что представляя результаты испытаний в координатах "логарифм параметра усталостной трещины - логарифм числа циклов" для листового сплава Д16АТ удается получить отчетливо выраженные ломаные линии, на которых можно выделить в большенстве случаев четыре точки перелома. Как показал фракгографический анализ изломов, развитие усталостных трещин по механизму циклического деформирования происходит на первых трех участках. Была выполнена статистическая обработка полученных результатов. В качестве случайных величин рассматривали длины трещин, числа циклов, скорости роста трещин и КИН, соответсвующие границам участков. Было, в частности, установлено, что влияние средних напряжений, ширины образцов на положение границ первых трех участков несущественно. Амплстуда напряжений и толщина образцов влияют существенно.

В качестве основной характеристики перехода усталостной трещины го одной стадии ее развития в другую можно принять максимальное значение КИН, являющееся инвариантом по отношению к параметрам цикла нагружения и ширине образца и зависящее от его толщины. Сопоставление кинетической диаграммы усталостного рузрушенкя (КДУР) со значениями максимального КИН, соответсвующего границам участков, показало, что отклонение от прямолинейной зависимости начинается на третьем участке при отношении максимальных КИН к критическому коэффициенту интенсивности напряжений в пределах 0,4-0,5.

Приведен анализ литературных данных и собственных' экспериментальных исследований по влиянию толщины образцов в диапозоне 3-5мм и ширины в пределах от 50 до 200мм на параметры кинетического уравнения роста усталостных трещин сплава Д16АТ. Отмечено, что эти параметры существенно зависят от толщины, ширина образцов на КДУР не влияет.

Экспериментальные исследования влияния нерегулярности нагружения проводили на стандартных образцах для испытаний на усталость при изгибе с вращением и на листовых материалах. При испытаниях на изгиб с вращением образцов из сплава МЛ 12 с одноступенчатым изменением амплитуды напряжений было отмечено, что при переходе с высокого уровня напряжений на низкий развитие усталостной трещины резко замедляется, а при переходе с низкого на высокий возрастает по сравнению со

скоростью усталостных трещин без предварительного нагружения. Последний эффект обусловлен особенностями сопротивления сплава МЛ 12 усталости. Проанализированы результаты исследований влияния нерегулярности нагружения, имеющиеся в технической литературе. Отмечается, что ни одна из существующих методик не в состоянии учесть все эффекты, наблюдавшиеся при нерегулярных нагружениях, а определение соответствующих констант и обоснование принятых моделей требуют обширного эксперимента. Кроме того, для расчета развития усталоспшх трещин необходимо знать спектр нагрузок, который для большинства элементов авиационных конструкций может быть • определен лишь с известной долей достоверности. Наиболее точные методы требуют большого объема вычислении и эффективны лишь при использовании мощных ЭВМ. В этой связи выполнен анализ погрешностей при использовании методов расчетов без учета взаимодействия циклов различного уровня. Результаты расчета сопоставляли с результатами эксперимента по исследованию закономерностей роста усталостных трещин в образцах сплава Д16АТ при блок программных нагружениях, полученных в результате стандартной восьмиступенчатой аппроксимации стационарных гаусовских случайных процессов, при рэлеевской и равномерной плотностях распределения амплитуд, при блок программном нагружении, имитирующем спектр нагрузки типового полета самолета ИЛ-86, применительно к эксплуатационной нагруженности нижней панели крыла самолета ТУ-134А, Отмечается, что основной эффект взаимного влияния нагрузок различного уровня сводится к уменьшению скорости роста усталостных трещин при переходах с высокого на более низкие уровни нагружения. Расхождение расчета без учета взаимного влияния нагрузок с экспериментом может быть обусловлено неточностью в оценке напряженно-деформированного состояния, а также нарушением подобия процесса циклической повреждаемости. В анализируемых экспериментах, если максимальный КИН в блоке нагружения не превышал КИН, соответствующий границе третьего участка на кривых роста усталостных трещин, то отношение экспериментальной циклической долговечности к расчетной не • превышало 1,6. При этом ошибка идет в запас прочности. I Установленное в рамках формально-аналитического описания опытных данных подобие процессов циклической повреждаемости, а также результаты более глубокого рассмотрения этой проблемы с использованием методов общей теории размерностей и механического подобия, а также фрактографических закономерностей циклического разрушения, имеющиеся в технической литературе, позволяют для скорости роста усталостных трещин выбирать зависимости вида:

1=с(1Стах*та)»Щ(...)Г

где Кмх - максимальный КИН, ((Л) - учитывает влияние асимметрии нагружения, Щ (...) - произведение функций учитывающих различные факторы, влияющие на скорость роста усталостных трещин, сип- константы материала.

Показано, что при подобной структуре кинетического уравнения при неизменности траектории трещины и условий нагружения имеют место:

В закон коммутативности нагружения, заключающийся в том, что порядок приложения нагрузок в блоке нагружения не влияет на конечную длину трещины;

В линейный закон накопления повреждений на стадии роста усталостных трещин, выражающийся зависимостью:

О4"

=1

где II, - число циклов нагружения на стадии роста усталостных трещин соответствующие :1-ой ступени.

¡(И) - число циклов развития усталостной трещины от начальной длины до критической при уровне максимальных напряжений, соответствующих 1-ой ступени, определенные по кривой усталости, полученной при коэффициенте асимметрии И. Г(Н),Щ ) - функции, учитывающие влияние ряда эксплуатационных факторов, соответствующие режиму испытаний; 1:(Я),Ш(1) - функции, учитывающие влияние этих же факторов при параметрах, соответствующих расчетному спектру нагружения.

Показано также, что при некоторых дополнительных ограничениях на вид поправочных функций процедура вычисления может проводится с раздельным учетом нагруженности и геометрических особенностей конструктивной зоны по зависимостям вида:

где - число циклов в блоке нагружения; N5 - число блоков нагружения; Ув - параметр, характеризующий отличие соответствующего блочного нагружения от регулярного нагружения с параметрами а^ и Я. Например, при блочном нагружении без

учета эффектов взаимодействия нагрузок разного уровня этот параметр вычисляется по зависимости:

V5

1

V,

' А*,)-*

где Рц - число циклов нагружения с параметрами а; и ^. Левая часть основного равенства равна:

е

Л-1

а

и зависит от свойств материала, геометрии образца и трещины и особенностей нагружения.

Y -поправочная функция на геометрию трещины и образца; Ш(1)-произведение функций, учитывающих влияние эксплуатационных факторов и зависящих от длины трещины;

А-функция может быть вычислена, если известны КИН и поправочные функции, и является комплексной характеристикой, отражающей влияние геометрических особенностей конструктивной зоны на развитие усталостных трещин. Эта функция может быть определена и по результатам испытаний конструктивного элемента при регулярном пагружении. Приведены примеры определения А-функции по результатам испытаний при регулярном пагружении и расчетов развитая усталостных трещин с использованием определенной таким образом А-функции.

Показано, что критериальное равенство по линейной гипотезе накопления повреждений на стадии роста усталостных трещин можно зависать в виде:

у Д/,.,/,_,) _yc(fm-crmaxiy -h, _ Л(1пр) ^ А(1пр)

где А(1;, 1м) - увеличение значения А-функции при подрастании трещины на i-ой ступени нагружения от длины до 1,;

А (1пр) - значение А-функции при предельно допустимой длине трещины.

Если нагружение задано в виде повторяющегося блока нагружения, то критериальное равенство принимает вид:

' 7(Г)' ^ ^'еГша У = 1

Приведен пример расчета по этому соотношению для блочного нагружения, имитирующего типовой полет самолета ИЛ-86.

Рассмотренные особенности оценки циклической повреждаемости на стадии роста усталостных трещин позволяют значительно упростить расчеты циклической долговечности, используя метод пересчета. Так предполагая, что для некоторой конструктивной зоны расположение, форма трещины, а также ее траектория не зависят от уровня нагруженности, для двух режимов регулярного нагружения можно получить:

N 2 = N 1

maxi

^ n

er

m ах 2

- / (Я 2 ).

где N1 и N2 - циклическая долговечность на первом и втором режимах.

Циклическая долговечность при произвольном блочном нагружении может быть определена по циклической долговечности при регулярном режиме нагружения по зависимости:

N =

N I

К

Практическая значимость метода пересчета проиллюстрирована расчетами при регулярных погружениях разного уровня, а также при блочном нагружении.

Расчетная методика была реализована для прогнозирования развития усталостных трещин в элементах конструкций типа подкрепленного выреза. Для оперативного определения длительности развития усталостных трещин предложен метод расчета с помощью номограмм.

В шестой главе представлены результаты исследования циклической повреждаемости легких сплавов при двухосном нагружении. Рассматриваются результаты анализа напряженно-деформированного состояния (Н.Д.С.) в регулярных и нерегулярных зонах самолетов ГА, в том числе результаты летных экспериментов. Отмечается, что в элементах авиаконструкций во многих случаях реализуется сложное напряженное состояние, в том числе в тонкостенных конструкциях - плоское.

Анализ литературных источников свидетельствует, что имеется большое количество гипотез, основанных на рассмотрении энергетических, статистических, дислокационных и чисто феноменологических аспектов зарождения усталостных трещин, позволяющих записать критериальные соотношения на стадии до образования усталостных макротрещин. Исследованию закономерностей развития усталостных трещин в условиях сложного напряженного состояния посвящено относительно небольшое количество работ. Результаты и выводы многих работ, как показал анализ литературных источников, часто противоречат друг другу и трудно сопоставимы. В этой связи был выполнен комплекс исследований кинетики усталостных трещин при двухосном нагружении. Экспериментальные исследования проводили на испытательной установке МТБ на образцах из сплава Д16АТ крестообразной формы. Был выполнен анализ Н.Д.С. рабочей зоны образца численными методами и тензометрированием, проанализированы критерии разрушения в связи с проблемой прогнозирования траектории усталостных трещин, на основе критерия максимальных растягивающих напряжений выводятся зависимости для угла начального разрушения как функции параметра двухосности, представляющего

ъь

собой отношение наименьшего к наибольшему из двух отличных от нуля главных напряжений. Сопоставление реплик траектории развития усталостных трещин при отнулевом цикле нагружения и различных значениях параметра двухосности показало, что траектория развития усталостной трещины стремится сориентироваться перпендикулярно действию максимальных растягивающих напряжений. Выполнен анализ кинетики развития усталостных трещин при регулярном иагружении при различных значениях коэффициента двухосности. При этом используется метод пересчета, обоснованный в предыдущей главе и позволяющий оперировать не КИН, а максимальными напряжениями. Выводится зависимость для поправки на двухосность, отмечается удовлетворительное совпадение расчета с экспериментом.

Экспериментальные исследования кинетики усталостных трещин при нерегулярном нагружении проводили при блочном нагружении со ступенчатым изменением продольной составляющей нагрузки, при нагружении типа биения, при ступенчатом изменении коэффициента длухосности, в условиях моделирования нагрузки стационарным гауссовским процессом. Показано, что учет кинетики напряженного состояния позволяет удовлетворительно описать результаты эксперимента методами, развитыми в предыдущей главе. Выполнены исследования влияния ассимегрии нагружения и частоты на закономерности роста усталостных трещин, получены выражения для поправочных функций и подтверждено подобие процессов циклической повреждаемости по этим параметрам.

Выполненный комплекс исследований кинетики усталостных трещин при двухосном нагружении позволил сделать следующие основные выводы:

1. Траектория развития усталостных трещин в условиях плоского напряженного состояния стремится соориентироваться перпендикулярно максимальным растягивающим напряжениям, вычисленным вблизи вершины трещины при номинальном напряженном состоянии в соответствующей точке траектории, определенным для тела, не содержащего трещины.

2. Основной эффект влияния двухосности нагружения на кинетику усталостных трещин в крестообразном образце обусловлен изменением номинального напряженного состояния в центральной зоне образца. При уменьшении коэффициента двухосности уровень максимальных растягивающих напряжений увеличивается. Соответственно увеличивается и скорость развития усталостных трещин.

3. Дополнительный эффект влияния двухосности нагружения и основной эффект в случае равенства максимальных.

растягивающих напряжении заключается в изменении протяженности пластической зоны у вершины трещины., Увеличение протяженности пластической зоны приводит к увеличению скорости развития усталостных трещин. Этот эффект приближенно может быть учтен путем введения поправки для КИН, основанной на увеличении фактической длины усталостной трещины на радиус пластической зоны, определенный через шггенсивность номинальных напряжений в соответствующей точке траектории.

4. Влияние асимметрии цикла нагружения и частоты нагружения в условиях двухосного нагружения тождественно влиянию этих факторов при одноосном нагружении и может быть учтено использованием соответствующих поправочных функций, определенных по результатам испытаний при одноосном нагружении.

5. При нерегулярном нагружении наблюдаются ярко выраженные эффекты торможения в развитии усталостных трещин при переходе с высокого уровня нагружения на низкий при коэффициенте перегрузки, большем 1,3, Число циклов замедленного развития усталостной трещины и протяженность зоны замедления достаточно точно предсказываются на основе закономерностей, установленных при одноосном нагружении, и, в частности, зависят от величины коэффициента перегрузки, от коэффициента асимметрии, числа циклов перегрузки и размаха КИН основного цикла напряжении, раскрывающих трещину.

6. Закономерности развития усталостных трещины при двухосном нагружении подтверждают следствия, вытекающие из гипотезы подобия первичных кривых развития усталостных трещин.

7. Для инженерной оценки кинетики усталостных трещин при двухосном нагружении могут быть использованы методы расчета, базирующиеся на методике раздельного учета геометрических особенностей и нагружённости.

В седьмой главе приведены примеры использования результатов исследований для оценки надежности и циклической долговечности элементов конструкций воздушных судов.

Приведено решение комплекса задач по прогнозированию циклической провреждаемости изделий, упрочненных поверхностным пластическим деформированием.

Экспериментальные исследования на образцах, упрочненных обкаткой роликом, подтвердили, отмеченный в технической литературе факт, что основную роль в повышении сопротивления

усталости легких сплавов играют наведенные при упрочнении в поверхностных слоях сжимающие остаточные напряжения. В процессе эксплуатации остаточные напряжения могут изменяться и задача оценки циклической долговечности формально сводится к оценке циклической повреждаемости в условиях, кинетики напряженного состояния. Сопоставлением экспериментальных результатов с расчетами циклической долговечности поверхностно упрочненных образцов из сплавов АК4-1, МЛ5, ВМ65-1 подтверждена эффективность методик оценки кинетики напряженного состояния при перегрузках, при воздействии повышенных температур и методик оценки циклической долговечности и предельных амплитуд по критерию появления усталостных макротрещин в условиях кинетики напряженного состояния.

Выполнен анализ эффективности упрочнения обкаткой роликом барабанов авиационных колес. Результаты расчетов по разработанной методике показали хорошую сходимость с результатами испытаний изделий.

Проведено исследование влияния на эксплуатационную циклическую долговечность барабанов колес отдельных технологических операций (нагрев под запресовку подшипников, сушка после нанесения лакокрасочных покрытий), нагревов при торможении и нештатных ситуациях типа «прерванный взлет». Выполненный комплекс исследований позволил рекомендовать методику выбора материалов для изделий с учетом влияния на циклическую повреждаемость легких сплавов условий эксплуатации и технологических методов упрочнения.

Приведены результаты комплекса исследований по восстановлению и поддержанию работоспособности изделий по критерию сопротивления усталости путем повторных упрочнений ППД. Разработана и апробирована методика оценки эффективности повторных упрочнений применительно к условиям эксплуатации барабанов колес шасси самолетов.

В качестве примера использования установленных закономерностей циклической повреждаемости легких сплавов на стадии роста усталостных трещин рассмотрена задача оценки надежности конструктивного элемента типа пластины с отверстием на основе сопоставления действующих нагрузок и несущей способности, рассматриваемых как случайные процессы. Последовательность локальных максимумов нагрузок рассматривалась как простейший пуассоновский поток, а распределение высоты максимумов соответствовало закону Релея. При установлении закона распределения несущей способности

использовалось двухпараметрическое уравнение для скорости роста усталостных трещин, установленный экспериментально закон распределения предельных нагрузок для конструктивного элемента с начальной трещиной, учитывалась корреляционная связь между параметрами кинетического уравнения, а также характеристики рассеяние параметров, начальной несущей способности и критического коэффициента интенсивности напряжений. Отмечается существенное влияние рассеяния характеристик механических свойств на надежность, в особенности при больших длительностях эксплуатации.

Рассмотрена задача прогнозирования циклической . повреждаемости легких сплавов в зонах концентрации напряжений в условиях чередования циклических нагрузок при нормальной температуре и постоянных нагрузок при повышенной температуре, характерных для условий эксплуатации сверхзвуковых пассажирских самолетов. Экспериментальная часть этого цикла исследований включала испытание на ползучесть плоских образцов из сплава АК4-1 с центральным отверстием и последующие испытания на усталость при нормальной температуре.

Остаточные напряжения, возникающие при разгрузке после нагружения статической нагрузкой при повышенной температуре, определяли по методике, изложенной в главе 2. Фактическую эпюру напряжений при нормальной температуре и в условиях ползучести получали известными в технической литературе методами, разработанными применительно к определению Н.Д.С. в зонах концентрации напряжений. Рассмотрены и решены задачи по определению коэффициентов концентрации напряжений в упруго-пластической области, по определению параметров номинального режима нагружения, соответствующего заданной базе и фиксированному коэффициенту асимметрии цикла напряжений, при наличии в элементе конструкции остаточных напряжений.

Установлено, что предварительная ползучесть приводит к перераспределению исходной эпюры напряжений и тем самым влияет на кинетику средних напряжений цикла в зонах концентрации напряжений. Сопоставление результатов эксперимента с расчетом подтвердило достаточную эффективность разработанных методик оценки циклической долговечности и пределов выносливости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Обобщая выполненные исследования, можно отметать следующие основные результаты.

1. Разработаны научные и методологические основы решения актуальной для механики циклического разрушения и авиационной техники проблемы оценки и прогнозирования циклической повреждаемости легких сплавов с учетом кинетики напряженного состояния и свойств материалов. Выявлены закономерности, разработаны н апробированы методы расчетов кинетики напряженного состояния, свойств материалов и циклической повреждаемости легких сплавов при силовых и температурных воздействиях, характерных для условий эксплуатации и конструкции самолетов ГА.

2. Разработаны аналитические методы оценки циклического повреждения и прогнозирования эксплуатационной циклической долговечности по критерию появления усталостных макротрещин элементов авиационных конструкций из легких сплавов в условиях комплексных силовых и температурных воздействий.

Предложены методы расчетов, ориентированные на решение оперативных инженерных задач и позволяющие уменьшить объем вычислений, повысить точность и достоверность расчетов при оценке циклической повреждаемости.

Рассмотрена задача о прогнозировании циклической долговечности по критерию появлению усталостных макротрещин в условиях монотонного во времени изменения средних напряжений цикла. Экспериментально обоснована экспоненциальная форма функции, учитывающей влияние средних напряжений цикла на скорость накопления усталостных повреждений. Предложена методика определения параметров функции, в том числе по результатам испытаний поверхностно упрочненных образцов и изделий.

Разработана инженерная методика оценки влияния переменных во времени монотонно изменяющихся средних напряжений на циклическую долговечность до появления усталостных макротрещин, основанная на вычислении эквивалентных средних напряжений. Предложена методика определения предельных амплитуд и построения кривых усталости в условиях переменных средних напряжений цикла.

3. Выполнен комплекс исследований по экспериментальному изучению закономерностей циклической повреждаемости авиационных материалов на стадии развития усталостных трещин.

Выполнен анализ кинетики номинальной напряженности, получены представительные экспериментальные данные по

закономерностям развития фронта усталостных трещин, исследованы статистические закономерности развития усталостных трещин в стандартных круглых и плоских образцах из сплавов АВТ, АК6, МЛ 12, АК4-1, Д16АТ, В91 при испытаниях на изгиб с вращением, при растяжении-сжатии и плоском изгибе.

Анализ первичных результатов позволил обосновать возможность изучения закономерностей развития усталостных трещин без учета стадии накопления повреждений в тех случаях, когда длительность развития усталоспгых макротрещин до разрушения, определенная на стандартных гладких лабораторных образцах, не превышает 50 % от общей циклической долговечности, а также обосновать гипотезу о подобии первичных кривых развития усталостных трещин при различных амплитудах цикла напряжений.

4. Исходя из экспериментально установленных закономерностей, обоснован вид кинетического уравнения роста усталостных трещин, в частном случае сводящийся к зависимостям, получаемым на основе подходов линейно механики разрушения.

Выполнен критический анализ математических моделей развития усталостных трещин с позиций инженерного использования при проведении расчетов циклической

долговечности. На основании сопоставления экспериментальных и расчетных оценок показана удовлетворительная точность расчетов при использовании двухпараметрической модели, связывающей скорость роста усталостных' трещин с размахом коэффициента интенсивности напряжений. Исследованы законы распределения параметров, установлена тесна корреляционная связь между ними, предложена упрощенная вероятностная трактовка расчетной зависимости.

5. Выполнен комплекс исследований по экспериментальному обоснованию структуры кинетического уравнения и апробации математических зависимостей для скорости роста усталостных трещин на основе подходов механиюразрушения.

В качестве параметров нагруженное™ использованы максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений и коэффициент асимметрии Функцию, учитывающую влияние асимметрии нагружентм на скорость рост усталостных трещин предложено выбирать в виде многочленов второго и третьего порядков. Показано, что выбирая коэффициенты • и степень многочленов можно описать такие эффекты, как относительно небольшое влияние асимметрии нагружения в диапазоне коэффициентов асимметрии от 0,4 до 0,6; увеличение этого влияния при приближении коэффициентов асимметрии к единице и нулю влияние циклов сжатия наличие нижнего порогового значения размаха коэффициента интенсивности напряжения.

6. Выполнен комплекс исследований на образцах из сгагава

Д16АТ по гоученгао стадийности процесса развития усталостных трещин. Проведен статистический анализ кинематических параметров, соответствующих границам стадий развития усталостных трещин, исследовано влияние параметров режимов нагружения, ширины и толщины образцов на положение границ участков. Установлено, что в качестве основной характеристики перехода усталостной трещины из одной стадии ее развития в другую можно принять максимальные значения коэффициентов интенсивности напряжений, являющиеся инвариантом по отношению к параметрам цикла нагружения и ширине образца и зависящие от его толщины.

Сопоставление кинетической диаграммы усталостного разрушения с критериальными значениями коэффициентов интенсивности напряжений, соответствующих различным участкам, и характером разрушения, определенным по результатам фрактографического анализа, показало, что отклонение от прямолинейности начинается при отношении максимальных коэффициентов интенсивности напряжений к критическому коэффициенту интенсивности напряжений, равному примерно 0,4 -0,5.

Полученные результаты позволили определить верхнюю границу корректного использования кинетического уравнения, как соответствующую максимальному коэффициенту интенсивности напряжений, равному 0,4-0,5 от значения критического коэффициента интенсивности напряжений.

7. Исследовано влияние нерегулярности нагружения на точность описания процесса развития усталостных трещин с использованием уравнений, связывающих скорость усталостных трещин с длиной трещины и параметрами нагружения. Экспериментально установлено, что подобные зависимости не могут быть использованы для материалов, интенсивно накапливающих повреждения на стадии до образования усталостных трещин. Для этих материалов предварительное нагружение на низком уровне нагруженности может приводить к резкому ускорению роста усталостных трещин на более высоких уровнях нагружения по сравнению с соответствующим регулярным нагружением.

. Проанализирована возможность использования модифицированного двухпараметрического уравнения, связывающего скорость роста усталостных трещин с размахом коэффициента интенсивности напряжений, для расчетов развития усталостных трещин при нерегулярном нагружении без учета взаимодействия нагрузок разного уровня. Показано, что в случае блок программного нагружения, сформированного по реализациям стационарного гауссовского случайного процесса в соответствии с

ГОСТ 25.607-85, при программном нагружении, использованном при испытаниях на выносливость нижней панели крыла самолета ТУ-134А, при блок программном нагружении, имитирующим спектр нагрузок типового полета самолета Ш1-86 погрешность расчетов по предлагаемой модифицированной зависимости для скорости роста усталостной трещины находится в пределах 10-40 %. В случае процессов нагружения с широким диапазоном изменения нагрузок и при редких перегрузках высокого уровня, например, при блок программных нагружениях, аппроксимирующих рэлеевскую и равномерную плотности распределения амплитуд с высоким уровнем срезки, погрешность расчетов резко возрастает. Однако во всех случаях расчеты без учета взаимодействия нагрузок различного уровня позволяют получить нижнюю граничную оценку соответствующей циклической долговечности.

8. На основе гипотезы подобия первичных кривых развития усталостных трещин и соответствующей аналитической интерпретации зависимости для скорости роста усталостных трещин показано, что при постоянстве констант, характеризующих сопротивление материалов развитию усталостных трещин, при отсутствии взаимного влияния нагрузок различного уровня, при неизменных траекторий трещины и условиях нагружения на каждой ступени (по двухосности, частоте и т.п.):

а) имеет место закон коммутативности нагружения, заключающийся в том, что торядох приложения нагрузок в блоке нагружения не влияет на конечную длину трещины;

б) на стадии развития усталостных трещин справедлива линейная гипотеза накопления повреждений в виде:

где Ы; - число циклов нагружения с параметрами ст^, ¡, II ¡;

Кт - число циклов развития усталостной трещины от начальной длины 1о до некоторой фиксированной длины 1пр, одинаковой для всех режимов нагружения с параметрами о^,, Я ,

При отличии асимметрии и условий эксплуатационного нагружения от асимметрии и условий базовых испытаний критериальное равенство принимает вид:

Е

N.. (/(к,)-и/(0У

= 1,

N п(я) I /(/?>• п/())

где К - коэффициент асимметрии при базовых испытаниях;

- функция, учитывающая влияние асимметрии нагружения;

ГКО) и Ш( ) - произведение функций, учитывающих влияние ряда эксплуатационных факторов при параметрах нагружения, соответствующих расчетному спектру и базовому режиму испытаний.

в) кинетическое уравнение сводится к уравнению с разделяющимися переменными, что позволяет организовать счет с раздельным учетом геометрических особенностей и нагруженности.

Рассмотрены методические особенности расчетов. Предложено геометрические особенности конструктивных зон оценивать с помощью специальной функции, которая может быть вычислена при известных зависимостях для коэффициентов интенсивности напряжений и функциях, учитывающих влияния ряда факторов на кинетику трещин, или получена экспериментально при регулярном нагружении. Для оперативного определения длительности развития усталостных трещин предложен метод расчета с помощью номограммы. Предложен вариант линейной гипотезы накопления повреждений на стадии роста усталостных трещин, формулирующий критериальное условие через специальную функцию и позволяющий сопоставить расчетную оценку накопленного повреждения с результатами дефектации (с величиной подрастания усталостной трещины). Показана возможность оценки циклической долговечности при нерегулярном нагружении по циклической долговечности на базовом регулярном режиме нагружении. При этом требуется знание параметров нагружения и показателя степени в кинетическом уравнении для скорости роста усталостных трещин.

Предложенные методы расчета реализованы применительно к конструктивной зоне типа подкрепленного выреза в обшивке крыла.

9. Выполнен комплекс исследований циклической повреждаемости при двухосном нагружении. При этом установлено:

- траектория развития усталостных трещин в условиях плоского напряженного состояния стремиться сориентироваться перпендикулярно максимальным растягивающим напряжениям, вычисленным для тела, не содержащего трещины, в соответствующей точке траектории;

- расчет кинематических параметров усталостной трещины при известной траектории может быть выполнен на основе зависимостей, установленных при одноосном нагружении. Влияние двухосности нагружения приближенно может быть учтено

введением поправки для коэффициентов интенсивности напряжений, основанной на увеличении фактической длины усталостной трещины на радиус пластической зоны, определенных через интенсивность номинальных напряжений в соответствующей точке траектории;

- при нерегулярном нагружении наблюдаются ярко выраженные эффекты торможения в развитии усталостных треншн при переходе с высокого уровня нагружения на низкий при коэффициенте перегрузки, большем 1,3. Число циклов замедленного развития усталостной трещины и протяженность зоны замедления достаточно точно предсказываются на основе закономерностей, установленных при одноосном нагружении;

- влияние асимметрии цикла нагружения и частоты нагружения в условиях двухосного нагружения тождественно влиянию этих факторов при одноосном нагружении и может быть учтено использованием соответствующих поправочных функций, определенных по результатам испытаний при одноосном нагружении;

- закономерности развития усталостных трещин при двухосном нагружении подтверждают справедливость следствий, вытекающих го подобия первичных кривых роста усталостных трещин и методов расчета кинетики усталостных трещин.

10. Выполнен комплекс исследований по изучению кинетики напряженного состояния в условиях эксплуатационных силовых воздействий. Экспериментами на изделиях (барабанах авиационных колес), изготовленными го сплавов МЛ12 и МЛ5,

установлено, что для структурно-стабильных материалов циклические нагрузки не вызывают существенного (свыше 5 %) перераспределения напряжений вплоть до появления усталостных макротрещин.

Рассмотрена задача о перераспределении нормальных напряжений в элементах конструкций типа стержней при воздействии перегрузок. Предложен и экспериментально апробирован метод расчета кинетики напряженного состояния при эксплуатационных статических воздействиях, в том числе в элементах конструкций, упрочненных поверхностным пластическим деформированием.

11. Выполнен комплекс исследований по' изучению кинетики напряженного состояния в условиях эксплуатационных температурных воздействий.

Проведен анализ ряда теорий ползучести и их экспериментальное апробирование с позиций описания релаксации напряжений в элементах авиационных конструкций. Рекомендовано использовать гипотезу упрочнения в степенной форме записи уравнения состояния. На основе представительных серий

4Ъ

испытаний получены значения параметров уравнения состояния сплавов АК4-1, МЛ12,ВМ65-1,МЛ5.

Исследованы статистические закономерности ползучести. В частности установлено:

- распределение накопленной деформации ползучести подчиняется логарифмически-нормальному закону;

- среднее квадратическое отклонение логарифма деформации ползучести при постоянстве параметров нагружения и температуры слабо зависит от длительности испытаний в пределах участка неустановившейся ползучести.

Исследована чувствительность к рассеянию свойств материалов и законы распределения параметров уравнения состояния.

Предложена статистическая интерпретация уравнения состояния и получаемого из него соотношения для расчета релаксации напряжений.

Рассмотрена задача о расчете кинетики напряженного состояния на основе гипотезы упрочнения. Проведено экспериментальное апробирование методики расчета кинетики напряженного состояния на образцах и изделиях типа авиационных колес.

Разработанные методы описания процессов ползучести и релаксации напряжений использованы для обоснования критериев и практической оценки релаксационной стойкости и корректировки химического состава ряда модификаций сплавов, применяемых в конструкции барабанов авиационных колес.

12. Выполнен комплекс исследований по изучению влияния условий и длительности эксплуатации на сопротивление деформациям и разрушению сплавов МЛ12 и МЛ5, используемых в конструкции барабанов колес шасси самолетов, и сплавов типа Д16 и В95, используемых для обшивки и силового набора планера самолетов ГА. Установлены тенденции в изменении характеристик прочности и пластичности авиационных материалов. Отмечено, что временное сопротивление может уменьшаться на 2-5%, условный предел текучести повышаться на 3-20 %, относительное остаточное удлинение при разрыве уменьшается при выработке ресурса и длительности эксплуатации до 30 лет на 20-30 %. Для сплавов типа Д16 н В95 и рассматриваемых конструкционных элементов сопротивление материалов развитию усталостных трещин с наработкой практически не ухудшается. Дисперсии механических характеристик материалов с наработкой и без наработки при статическом нагружении, как правило, статистически одинаковы. Дисперсии чисел циклов до появления усталостных макротрещин в литейных сплавах при выработке ресурса могут существенно возрастать.

Изучено влияние эксплуатационных коррозионных повреждений, характерных для конструкции планера и условий эксплуатации самолетов ТУ-154 и ТУ-134. Отмечено существенное ухудшение характеристик прочности (на 5-20%) и охрупчивапие материалов (относительное остаточное удлинение при разрыве уменьшается на 40-80 %). В зависимости от вида и степени коррозионных поражений циклическая долговечность до появления усталостных макротрещин и до разрушения может уменьшаться на 20-60% по сравнению с циклической долговечностью, расчитанной с учетом уменьшения площади сечения на глубину коррозионного поражения. Предложено влияние наработки, вида и степени коррозионных повреждений на характеристики механических свойств материалов учитывать с помощью специальных коэффициентов.

13. Результаты исследований использованы для решения ряда практических задач. В частности, рассмотрена задача о прогнозировании эксплуатационной циклической долговечности барабанов колес шасси самолетов, упрочненных обкаткой роликом, исследовано влияние на эффективность упрочнения технологических операций при изготовлении и сборке изделий, условий эксплуатации и нештатных ситуаций типа прерванный взлет, влияние повторных упрочнений. Рассмотрены задачи о прогнозировании прочностной надежности в критической по усталости зоне при полете в условиях непрерывной турбулентности и о прогнозировании циклической долговечности в зоне концентрации напряжений с учетом ползучести при эксплуатационных температурных воздействиях.

Основное содержание диссертации изложено в 51 печатной

работе, 28 отчетах по НИР, в трех учебных пособиях, в том числе в следующих печатных работах:

1. С.П.Борисов, Н.А.Бородин. К вопросу оценки величины остаточных напряжений при перегрузках. Известия вузов. Машиностроение, №9,1968

2. Н.А.Бородин, СЛ.Борисов, М.Н.Степнов, И.И.Хазанов. Влияние нагрева на стабильность упрочнения магниевых сплавов поверхностным наклепом. Вестннк машиностроения, №1, 1969

3. С.В.Серенсен, С.П.Борисов, Н.А.Бородин. К вопросу оценки сопротивления усталости поверхностно упрочненных образцов с учетом кинетики остаточной напряженности. Проблемы прочности, №2,1969, с.З-б

4. Н.А.Бородин, С.П.Борисов, М.Н.Степнов. Эффективность упрочнения поверхностным наклепом изделий из легких сплавов. Всесоюзная научно-техническая конференция «Остаточные напряжения и несущая способность деталей машин. Харьков. 1969. Тезисы докладов, с.45

5. С-П-Борисов, М.Н.Степнов, Н.А.Бородин. Кинетика остаточной напряженности в поверхностно упрочненных изделиях в связи с условиями их эксплуатации. Там же, с.88

6. С.П.Борисов. Кинетика эффекта упрочнения наклепом изделий из легких сплавов/В книге: Поверхностный наклеп высокопрочных материалов. ВИАМ, ОНТИ, 1971, с.221-229

7. С.П.Борисов, Н-А.Бородин, И.Н.Хазанов. Оценка эффективности упрочнения деталей из легких сплавов поверхностным пластическим деформированием. Авиационная промышленность, №10,1973, с.47-49

8. С.ПБорисов, Н.И,Борщев, М.Н,Степнов, И.И.Хазанов. Неустановившаяся ползучесть и релаксация напряжений сплава АК4-1 в вероятностном аспекте. Проблемы прочности, №1, 1975, с.ЗО-ЗЗ

9. С.В.Серенсен, М.Н.Степнов, С.П.Борисов и др. Проект государственного стандарта Союза ССР. Металлы. Методы испытания на усталость (вторая редакция). Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР, М.: ИМАШ, 1974, 50стр.

10. С.В.Серенсен, М.Н.Степнов, С.П.Борисов и др. Проект государственного стандарта Союза ССР. Металлы. Методы испытания на усталость (третья редакция). Государственный

комитет стандартов Совета Министров СССР, М.: ИМАШ, 1975, 50стр.

11. В.Н.Городецкий, Е.А.Пуш, С.П.Борисов. К вопросу статистического описания закономерностей развития усталостных трещин. Статистические вопросы прочности и динамики машин. Тезисы докладов. Рига. 7-9 апреля 1976,Р.П.И., 1976, с.25

12. С.П.Борнсов, В.С.Стреляев, Г.Б.Сюсюкалов, Л.Л.Сачковская. Статистическая модель живучести элементов конструкции крыла самолета. Тезисы докладов к 6-ой конференции по усталостной прочности. Новосибирск, 1977,4-8 июня.

13. С.П.Борисов, В.В.Журавлев. Влияние повторного упрочнения наклепом на сопротивление усталости сплава МЛ 12 применительно к условиям эксплуатации барабанов колес шасси самолета. Динамика, выносливость и надежность авиационных конструкций и систем. Межвузовский тематический сборник научных трудов. Выпуск 1, М.: МИИГА, 1977, с.б-16

14. Г.Б.Сюсюкалов, С.П.Борисов. Исследование остаточной прочности элементов обшивки крыла самолета в аспекте надежности. Там же, с.62-68

15. В.С.Стреляев, С.П.Борисов. Прочность элементов авиакострукций при хрупком разрушении. М.: МИИГА, 1977, с.72

16. Е.А.Пуш, С.П.Борисов. Исследование закономерностей развития усталостных трещин в легких сплавах на стандартных образцах для испытаний на усталость. Динамика, выносливость и надежность авиационных конструкций и систем. Межвузовский тематический сборник научных трудов. Выпуск 2., М.: МИИГА, 1978, с.35-40

17. С.П.Борисов, В.В.Кирин, В.С.Стреляев., Г.Б.Сюсюкалов. Исследование закономерностей развития усталостных трещин в сплаве Д16АТ в статистическом аспекте. Там же, с.50-57

18. С.П.Борисов, В.В.Кирин, В.С.Стреляев, Г.Б.Сгосгокалов. Об одном подходе к оценке надежности конструктивных элементов крыла самолета на стадии развития усталостной трещины. Там же, с.57-64.

19. СЛ.Борисов, В.Н.Городецкий, 3.А.Сазонова. О вычислении коэффициентов интенсивности напряжений в образцах круглого поперечного сечения с- поверхностной трещиной. Динамика, выносливость и надежность авиационных конструкций и систем. Межвузовский тематический сборник научных трудов. Выпуск 3., М.: МИИГА, 1979, с.79-87

20. С.П.Борисов, В.Н.Городецкий, - З.А.Сазонова. К методике обработки первичных результатов испытаний при изучении

сопротивления материалов развитию усталостных трещин. Там же, с.87-93

21. С.П.Борисов, В.С.Стреляев, О.ВЛеонова. Совершенствование методов оценки надежности конструкции летательных аппаратов на основе механики циклического разрушения. Всесоюзная научно-техническая конференция «Перспективы развития методов технической экслуатации авиационной техники. 29-31 мая 1979. Киев. Тезисы докладов.

22. С.П.Борисов, О.ВЛеонова, М.С.Громов, В.В.Елистратов, В.В.Кирин. Оценка кинетики усталостного повреждения силового узла крыла магистрального пассажирского самолета с учетом условий эксплуатации. Научные труды 4-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Эффективность и оптимизация систем и процессов ГА. М.: МИИГА, 1979, с.282-294

23. С.П.Борисов, О.ВЛеонова, М.С.Громов, В.В.Елистратов, В.ВЛСирин. Методика выбора стратегии технического обслуживания и оценка надежности и долговечности силового узла крыла магистрального пассажирского самолета с учетом условий эксплуатации. Эффективность и оптимизация систем и процессов гражданской авиации. Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной научно-технической конференции, 22-23 марта 1979, М.: МГА, МИИГА, с.164

24. СЛХБорисов, О.ВЛеонова, В.В.Елистратов. Влияние статистических характеристик случайного процесса нагружения на рост усталостной трещины в сплаве Д16АТ. Динамика и механика поврежденных авиационных конструкций. Межвузовский тематический сборник научных трудов. М.: МГА, МИИГА, 1982, с.71-75

25. С.П.Борисов, О.ВЛеонова, В.В.Елистратов. Исследование усталости сплава Д16АТ при случайном нагружении. Тезисы стендовых докладов 8-ой Всесоюзной конференции по усталости металлов. М.: АН. СССР. Институт металлургии им.А.А.Байкова, 1982

26. С.П.Борисов, Е.А.Пуш. Оценка живучести элементов тонкостенных конструкций. Тезисы докладов научно-технической конференции «Комплексное обеспечение ресурса авиаконструкций». Жуковский, 1983., с.61

27. С.П.Борисов, О.ВЛеонова, В.В.Никонов, В.С.Стреляев. Моделирование процесса усталостного разрушения авиационных конструкций. Там же, с.91

28. С-П.Борисов, Е.А.Пуш. О разрушении элементов конструкций с трещинами при сочетании нормальных и сдвиговых нагрузок. Вопросы усталости и живучести авиационных конструкций.

Межвузовский тематический сборник научных трудов. М.: МГА, МИИГА, 1983, с.55-59

29. С.П.Борисов, 'Е.А.Пуш. Исследование стадий усталостного разрушения с позиций линейной механики разрушения. Тезисы докладов 4-го Всесоюзного научно-технического совещания «Динамика и прочность поврежденных конструкций авиационной техники». М.: ГосНИИ ГА, 1983, с.32

30. СЛ.Борисов, О.В.Леонова, В.В.Елистратов. Влияние статистических характеристик случайного процесса нагружения на живучесть сплава Д16АТ. Второй Всесоюзный съезд по теории машин и механизмов. Тезисы докладов. Одесса, 14-18 сентября 1982. Часть 1. Киев.: Наукова Думка, 1982

31. С.П.Борисов, О.В.Леонова, В.С.Стреляев. К вопросу разработки и совершенствования нормативной документации по технологии эксплуатации машиностроительных конструкций. Стандартизация методов расчетов и испытаний на прочность. Выпуск 3. М.: Издательство стандартов, 1983

32. С-П.Борисов. К вопросу об оценке живучести элементов конструкций с трещинами. Инженерное обеспечение безопасности полетов. Межвузовский сборник научных трудов. М.: МИИГА, 1984

33. С.П.Борисов, Е.А.Пуш. Некоторые особенности сопротивления разрушению элементов конструкций с трещинами. Там же

34. С.ПБорисов, Е.АЛуш. О выборе 1фитериев локального разрушения элементов авиационных конструкций с трещинами. Инженерно-авиационное обеспечение безопасности полетов. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Победы советского народа в Великой Отечествешгой войне (1941-1945). 24-26 апреля 1985, М.: МИИГА, 1985, с.59

35. Н. А.Бородин, СЛ.Берисов, В.В.Никонов. Расчетно-экспериментальная оценка развития эксплуатационных дефектов в элементах тонкостенных конструкций. Нормирование прочности и ресурса высоконагруженных машин. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического симпозиума с участием специалистов стран-членов СЭВ. Владимир, 18-20 ноября 1986. М.: ЦП Н.Т.О. Машпром, 1986, с.15-17

36. С.П.Борисов. О некоторых актуальных проблемах оценки и прогнозирования технического состояния элементов конструкция летательных аппаратов в процессе их эксплуатации. Межвузовский сборник научных трудов. Методы анализа статической и динамической прочности авиаконструкций. Рига.: РКИИГА, 1988, с.Зб-41

ьг

37. СЛ.Борисов, В.Н.Городецкий. Методика расчета развитая усталостных трещин с раздельным учетом геометрических особенностей и нагруженности. Актуальные задачи прочности конструкций. Межвузовский сборник научных трудов. Рига.: РКИИГА, 1989, с.20-24

38. С.П.Борисов, В.Н.Городецкий. Номограммы для оперативной оценки длительности развития усталостных трещин. Там же, с.24-26

39. СЛ.Борисов, В.Н.Городецкий, Н.А.Бородин, Д.В.Ильяшенко, К.З.Караев. Экспериментально-аналитическое исследование развития усталостных трещин при двухосном нерегулярном нагружении. Трещиностойкость материалов и элементов конструкций. 3-ий Всесоюзный симпозиум по механике разрушения. Житомир, 30октября-1 ноября 1990. Тезисы докладов. Часть 2, Киев.: ИПП АН УССР, 1990, с. 12-13

40. СЛ.Борисов, В.Н.Городецкий. Прогнозирование развития усталостных трещин в тонкостенных элементах конструкций на основе раздельного учета геометрических особенностей и нагруженности. Там же, часть 2, с.21

41. СЛ.Борисов, В.Н.Городецкий, Н.А.Бородин, К.З.Караев. Исследование развития усталостных трещин при двухосном нагружении. Проблемы эксплуатационной прочности авиаконструкций. Межвузовский сборник научных статей. Рига.: РАУ, 1992, с.44-48

42. С.П.Борисов, Н.А.Бородин, Д.В.Ильяшенко, К.З.Караев. Исследование влияния частоты и асимметрии цикла двухосного нагружения на кинетику усталостных трещин. Там же, с. 116-120

43. С.П.Борисов, Н.А.Бородин. Кинетика усталостных трещин при плоском напряженном состоянии. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Наука и техника гражданской авиации на современном этапе». М.: МТ РФ, МГТУГА, 1994

44. С.П.Борисов, Н.А.Бородин. Об оценке качества ВПП в связи с влиянием характера ее неровностей на скорость развития усталостных: трещин. Там же

45. С.П.Борисов, Д.В-Ильяшеико, М.С.Громов, В.С.Шапкин. Исследование влияния длительности эксплуатации самолетов ГА на сопротивление сплавов В95 и Д16 деформациям и разрушению. Наука и техника гражданской авиации на современном этапе. Доклады Международной научно-технической конференции. М.: МТРФ, МГТУ ГА, 1994, с.36-44

46. С.П.Борисов, В.СШапкин, В.М.Байков, ВААнгонюк. Исследование сопротивления деформациям и разрушению

сплавов типа В95 и Д16 при наличии коррозионных поражений, характерных для конструкции самолетов ГА. Там же, с.44-52

47. С.П.Борисов, Д.В.Ильяшенко, М.С.Громов, В.С.Шапкин. Исследование влияния эксплуатационной наработки на сопротивление сплавов В95 и Д16 деформациям и разрушению. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Наука и техника гражданской авиации на современном этапе». М.: МТ РФ, МГТУ ГА, март1994, с. 13-14

48. С.П.Борисов, Б.С.Шапкин, В.М.Байков, В.А.Антонюк. Исследование влияния эксплуатационных коррозионных повреждений на сопротивление материалов конструкции планера самолета ТУ-154Б деформациям и разрушению. Там же, с.14-15

49. С.П.Борисов. О гипотезе линейного накопления повреждений на стадии развития усталостных трещин. Вопросы повышения уровня летной эксплуатации и безопасности полетов воздушных судов: Сборник научных трудов. М.: МГТУ ГА, 1996, с.88-93

50. С.П.Борисов. О некоторых методологических особенностях оценки и прогнозирования циклической повреждаемости авиационных материалов применительно к условиям эксплуатации самолетов ГА. Вопросы исследования летной эксплуатации воздушных судов в особых ситуациях. Межвузовский сборник научных трудов. М.: МГТУ ГА, 1997, с.101-105

51. СЛ.Борисов. Прогнозирование циклической повреждаемости в условиях кинетики средних напряжений цикла. Там же, с. 105-109



ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи

Борисов Станислав Петрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ

ЛЕГКИХ СПЛАВОВ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ

05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Президиум ВАК России

(решение от " М" ^

нрисудал. ученую степень /: _

щшла^.

л к управления Б

МОСКВА -1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение........................................................................................................

1. Постановка задачи, объекты, материалы и методика исследований.....

1.1. Актуальность проблемы. Постановка задачи..................................

1.2. Объекты, материалы и методика исследований..............................

2. Исследование влияния условий эксплуатации и наработки на сопротивление авиационных материалов деформациям и разрушению

2.1. Исследование влияния условий эксплуатации и наработки на характеристики механических свойств материалов, используемых в конструкции барабанов авиационных колес........

2.2. Исследование влияния условий эксплуатации и наработки на характеристики механических свойств материалов, используемых в конструкции планера самолетов ГА.....................

2.3. Исследование влияния эксплуатационных коррозионных повреждений на характеристики механических свойств сплавов типа В95 и Д16..................................................................................

2.3.1. Исследование влияния коррозионных повреждений на характеристики сопротивления сплавов В95 и Д16 деформациям и разрушению при статическом нагружении ...

2.3.2. Исследование влияния коррозионных повреждений на сопротивление усталости сплава Д16АТ.................................

2.4. Обобщение полученных результатов и основные выводы..............

3. Кинетика напряженного состояния при эксплуатационных воздействиях ..................................................................................................

3.1. Влияние статических перегрузок на кинетику напряженного состояния...........................................................................................

3.2. Влияние циклических напряжений на кинетику напряженного состояния...........................................................................................

3.3. Влияние ползучести на кинетику напряженного состояния...........

3.3.1. Анализ и экспериментальное апробирование теорий

с

ползучести и их математической интерпретации с целью описания процессов релаксации напряжений.......................

3.3.2. Методика расчета релаксации напряжений..........................

3.3.3. Экспериментальное апробирование методики расчета релаксации напряжений..................................................^......

3.3.4. Исследование статистических аспектов ползучести и вероятностное описание процесса релаксации напряжений..

3.3.5. Примеры использования полученных результатов для

- ^ -

оценки релаксационной стойкости сплавов и

корректировки химического состава.....................................

3.3.6. Основные результаты и выводы............................................

4. Исследование закономерностей циклической повреждаемости легких сплавов при одноосном нагружении.......................................................

4.1. Прогнозирование циклической повреждаемости на стадии до появления усталостных макротрещин в условиях кинетики напряженного состояния..................................................................

4.2. Исследование закономерностей циклической повреждаемости авиационных материалов на стадии развития усталостных макротрещин.....................................................................................

4.2.1. Экспериментальное исследование закономерностей сопротивления материалов развитию усталостных макротрещин..............................................................................

4.2.2. Математическое описание процесса циклической повреждаемости и обоснование вида кинетического уравнения роста усталостных трещин.....................................

5. Исследование влияния эксплуатационных и конструкционных факторов на структуру и параметры кинетического уравнения роста усталостных трещин в условиях одноосного нагружения......................

5.1. Исследование влияния асимметрии нагружения.............................

5.2. Исследование стадийности процесса развития усталостных трещин...............................................................................................

5.3. Исследование влияния толщины и ширины образцов из листовых материалов.......................................................................

5.4. Исследование влияния нерегулярности нагружения.......................

5.5. О некоторых методических особенностях расчета кинетики усталостных трещин. Примеры расчета..........................................

6. Исследование закономерностей циклической повреждаемости при двухосном нагружении.............................................................................

6.1. Материал, образцы, испытательное оборудование и методика испытаний.........................................................................................

6.2. Анализ напряженного состояния в центральной зоне крестообразного образца..................................................................

6.3. Выбор методики определения траектории развития усталостной трещины и расчета ее кинематических характеристик..................

6.4. Анализ траектории развития усталостных трещин при регулярном нагружении...................................................................

6.5. Анализ кинетики развития усталостных трещин при регулярном нагружении........................................................................................

6.6. Анализ кинетики развития усталостных трещин при

- з -

нерегулярном нагружении................................................................

6.7. Исследование влияния средних напряжений на кинетику усталостных трещин.........................................................................

6.8. Исследование, влияния частоты нагружения на кинетику усталостных трещин.........................................................................

6.9. Основные результаты и выводы.......................................................

7. Примеры использования результатов исследований для оценки

надежности и циклической долговечности элементов авиационных

конструкций..............................................................................................

7.1. Прогнозирование циклической повреждаемости изделий, упрочненных поверхностным пластическим деформированием ...

7.1.1. Экспериментальное исследование эффективности упрочнения поверхностным пластическим деформированием легких сплавов и апробирование методики расчета.................

7.1.2. Анализ эффективности упрочнения обкаткой роликом изделий типа барабанов авиационных колес............................

7.2. Исследование влияния повторного упрочнения на сопротивление усталости легких сплавов.................................................................

7.2.1. Исследование влияния повторного упрочнения на сопротивление усталости сплава МЛ 12 при нормальной температуре..............................................................................

7.2.2. Исследование влияния повторного упрочнения на сопротивление усталости сплава МЛ 12 при повышенной температуре и в условиях концентрации напряжений............

7.2.3. Разработка и апробирование методики оценки эффективности повторных упрочнений 1111Д применительно к условиям эксплуатации барабанов колес шасси самолетов.

7.3. Оценка ресурса и надежности элементов конструкции крыла самолета при полете в условиях непрерывной турбулентности атмосферы.........................................................................................

7.4. Прогнозирование циклической долговечности элементов конструкций планера самолетов ГА в зонах концентрации напряжений применительно к условиям эксплуатации С.П.С.......

Основные результаты работы......................................................................

Литература....................................................................................................

Приложение..................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальной задачей развития технической эксплуатации авиационной техники в Российской Федерации на современном этапе является разработка новых концепций и систем технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Как отмечает Н.Н. Смирнов «Действующая многие годы практика формирования системы ТОиР не учитывает ряд важных факторов, теоретических положений и правил. В результате применяемая ныне система ТОиР самолетов не обеспечивает требуемой тесноты связи между процессами повреждаемости конструкции и процессами поддержания и восстановления их работоспособности и обеспечения надежности, а поэтому является малоэффективной» [422]. Как показывает анализ систем ТОиР передовых авиационных компаний и фирм одним из важнейших принципов эффективных концепций является обслуживание и ремонт авиационной техники по состоянию. Для реализации этого принципа должна быть разработана новая система обеспечения надежности и эксплуатационной технологичности авиационной техники на всех этапах жизненного цикла [392].

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. Прогнозирование и оценка циклической повреждаемости представляет собой сложную научную и инженерную проблему. Многократные попытки получить количественные модели возникновения и развития усталостных повреждений в рамках механики континуума не привели к приемлемым для инженерной практики результатам, что обусловлено сложностью микроструктуры материалов и процессов возникновения и развития усталостных повреждений, значительным влиянием целого ряда конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов на процессы циклической повреждаемости [124, 177]. Развитие механики циклического разрушения и инженерных методов оценки циклической повреждаемости происходило в основном на базе эмпирических методов. Как отмечает В.И. Феодосьев «Объединение и систематизация экспериментальных данных и представляет собой в настоящее время содержание теории сопротивления усталости [423].

В рамках феноменологического подхода и методов механики сплошных сред, включая механику разрушения, можно выделить ряд направлений в развитии теории усталости и инженерных методов расчетов на прочность и надежность при циклических напряжениях. В зависимости от особенностей нагружения и процессов повреждаемости возникли научные направления, изучающие закономерности малоцикловой усталости, многоцикловой усталости,

- о -

термической усталости, поверхностное усталостное изнашивание, ударную усталость, коррозионную усталость, фретинг усталость.

Разрабатываются методы инженерных расчетов, учитывающие особенности, характерные для различных отраслей машиностроения или технологических операций, например, методы расчетов на усталость элементов конструкции подъемно-транспортных машин, деталей металлургических машин, деталей машин общемашиностроительного применения, корпусных конструкций кораблей, сварных конструкций, деталей газотурбинных двигателей [98, 85, 424427] и т.д.

Ярко выраженную специфику имеют и усталостные явления в авиации. Как показывает анализ эксплуатационных отказов основных самолетных систем (планер, шасси, управление) в силовых конструкциях преобладают отказы, являющиеся результатом действия переменных нагрузок, возникающих в процессе осуществления цикла З.В.З., преимущественно отказы в условиях многоцикловой усталости. Обеспечение эксплуатационной надежности авиационных конструкций по критериям сопротивления многоцикловой усталости базируется на изучении закономерностей циклической повреждаемости и обеспечивается сочетанием расчетных и экспериментальных методов. Расчетные методы основываются, с одной стороны, на общих положения 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, H.H. Давиденков, Я.Б. Фридман, И.В. Кудрявцев, H.H. Афанасьев, С.Д. Волков, В.В. Болотин, ДМ. Школьник, В.Г. Трощенко, С.Я. Ярема, P.M. Шнейдерович, В.П. Когаев, H.A. Махутов, А.П. Гусенков, А.Н. Романов, Г.П. Черпанов^Иванова B.C. 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. Сулименкова, В.Н. Стебенева, Г.И. Нестеренко, Р.В. Сакача, Б.В. Бойцова, С.И. Кишкиной, Б.И. Олькина, В.Г. Кудряшова, П.Г. Микляева, Г. А. Григорьева и др.

Вероятностно-статистические методы оценки свойств материалов и циклической долговечности конструкций развиты в работах C.B. Серенсена, Д.Н.Решетова, В.В. Болотина, И.А. Биргера, В.П. Когаева, М.Н. Степнова, В.Г. Буглова, JI.A. Козлова, И.В. Якобсона, Х.Б. Кордонского, Ю.М. Парамонова, Т.А.Француза, В.Л. Райхера, Б.В. Бойцова, Л.В. Коновалова, С.Д. Дмитриченко, A.C. Гусева, Л.В. Агамирова и др.

Изучению физической природы усталостных явлений, разработке вопросов подобия процессов циклической повреждаемости посвящены работы И.А.

Одинга, Я.Б. Фридмана, B.C. Ивановой, С.И. Кишкиной, А.А, Шанявского, В.Ф. Терентьева, Т.А. Гордеевой, И.П. Жегиной и др.

Влияние технологических методов упрочнения на сопротивление материалов и элементов конструкций усталости изучалось в работах H.H. Давиденкова, С.В.Серенсена, Й.В. Кудрявцева, И.А. Биргера, С.И. Кишкиной, И.А. Одинга, М.Н. Степнова, Б.Е. Авчинникова, H.A. Бородина, С.И. Иванова, В.Ф. Павлова и 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 главной, 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 сказывается 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 важным направлением исследований в механике циклического разрушения авиационных конструкций, тесно связанным 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 [422].

Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в МАШ (РГТУ) и МГТУ ГА (МИИГА) в период 1965-1995 гг. 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 и задачи исследования:

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 основные задачи:

1. Проанализировать виды эксплуатационных повреждений и процессы, влияющие на циклическую долговечность конструкции самолетов ГА, определить характерные критические зоны и выбрать объекты исследования.

2. 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.

3. Исследовать закономерности кинетики напряженного состояния в критических зонах в усло�