ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4, 2011
НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ МАРИН (1893-1973) -ВЫДАЮЩИЙСЯ ОСНОВОПОЛОЖНИК СОВЕТСКОЙ ШКОЛЫ О ВЫНОСЛИВОСТИ КОНСТРУКЦИЙ САМОЛЕТОВ
Марин Н.И. по праву считается выдающимся основоположником советской школы о выносливости самолетных конструкций. На работу в ЦАГИ он пришел в 1922 году после окончания МВТУ и до конца своей жизни трудился на благо отечественной авиации. Его инженерная и научная деятельность пришлись на период бурного развития советской авиации. Этот сложный период в истории нашей страны характерен выдающимися и драматическими событиями. Но фортуна была на стороне Николая Ивановича Марина. Он попал в среду таких авиационных научных гигантов как Сергей Алексеевич Чаплыгин, Мстислав Всеволодович Келдыш, Александр Иванович Макаревский, Иван Васильевич Ананьев, Виктор Николаевич Беляев, Теодор Абрамович Француз, Антон Антонович Белоус и другие. Здесь он проявил себя как талантливый инженер и талантливый ученый в области выносливости конструкций самолетов.
Вопросы выносливости авиационных конструкций серьезно встали в отечественной авиации в начале 40-х годов. Интенсивное использование во время Великой Отечественной войны авиационной техники сделало необходимым решение задачи об обеспечении усталостного ресурса планера самолета. На некоторых самолетах, обладающих достаточной статической и вибрационной прочностью, были случаи усталостного разрушения элементов. Так, в 1941 году на одном из легких самолетов наблюдались систематические поломки штыря, крепящего ногу шасси к лонжерону крыла. Анализ прочности штыря показал достаточный запас его статической прочности. Натурный эксперимент, в котором непосредственно измерялись усилия, действующие на самолет при взлете и посадке, показал, что нагрузки, как правило, составляли не более 50% от максимальных эксплутационных нагрузок, принятых в расчете. Однако такая нагрузка за каждый взлет—посадку регулярно повторялась несколько раз. Поставленные в лаборатории испытания на прочность при воздействии измеренных повторных статических нагрузок привели при ограниченном числе повторений к разрушению штыря. Так были получены первые результаты, показавшие значение циклических повторных нагрузок для выносливости авиационных конструкций.
В последующие годы развернулись систематические исследования влияния циклических статических нагрузок на выносливость авиационных конструкций. Здесь основными являются работы Н.И. Марина.
Николай Иванович Марин является основоположником советской науки о выносливости конструкций самолетов. В ЦАГИ им обосновано новое научное направление — статическая выносливость, представляющая явление низкочастотной малоцикловой усталости авиационных конструкций при многократно повторяющихся статических нагрузках, существенно меньших однократных разрушающих нагрузок.
Марин Н.И. внес значительный вклад в создание и развитие методов экспериментального определения усталостных характеристик материалов, элементов, соединений, агрегатов и натурных конструкций авиационной техники.
В 1946 году Н.И. Марин защитил докторскую диссертацию по техническим наукам. В 1964 году ему было присвоено ученое звание профессора.
Он является автором монографии "Статическая выносливость авиационных конструкций" (1968 г.) — одной из первых книг в отечественной литературе по данной проблеме. В основу монографии положена работа Н.И. Марина "Прочность авиационных конструкций при повторных статических нагрузках", которая была удостоена премии 1-й степени и золотой медали имени Н.Е. Жуковского (1951 г).
Исследования Н.И. Марина опережали на несколько лет исследования зарубежных ученых. Это подтверждается работами Н.И. Марина. В 1947 году Н.И. Марин опубликовал в журнале "Техника воздушного флота" статью "Прочность конструктивного элемента при повторной статической нагрузке". В статье приведены результаты исследования прочности сварного узла из стали 30ХГСА при изгибе повторной нагрузкой. По результатам эксперимента построены две кривые усталости узла — до появления трещины и до разрушения. Процесс разрушения автор разделил на две стадии — стадию выносливости и стадию роста трещины. На основе анализа этих двух стадий он сделал следующий вывод: "Число повторений нагрузки от момента появления первой трещины до разрушения узла может достигать весьма высоких значений, т.е. узел в надорванном состоянии, имея уже трещину, может еще длительно работать при повторных нагружениях. Постепенность развития появившейся трещины в некоторых случаях позволяет следить за изменением состояния конструкции в эксплуатации. Такое, постепенно намечающееся разрушение, конечно, легче обнаружить, чем разрушение от усталости, которое хотя и является тоже разрушением, нарастающим по времени, но не сопровождается заметной остаточной деформацией, обычно протекает при высоких частотах смены нагрузок и наступает почти всегда неожиданно, не давая никаких внешних признаков".
Таким образом, сформулированный Н.И. Мариным в 1947 году принцип разделения процесса разрушения на две стадии является фактически принципом допустимости повреждений (damage tolerance). В нормах США FAR 25.571 этот принцип допустимости повреждений был сформулирован только после катастрофы самолета Бо-инг-707 в 1977 году из-за усталостного разрушения горизонтального оперения. После катастроф самолетов "Комета" в 1954 году из-за усталостных разрушений герметических фюзеляжей в нормах FAR 25.571 был сформулирован только принцип безопасного разрушения (fail-safe), требующий обеспечения безопасности конструкций на случай образования больших, легко обнаруживаемых (очевидных) трещин, но не требующих контроля развития трещин. В нормах ВВС США MIL принцип допустимых повреждений был сформулирован лишь в 1974 году после катастроф самолета F-111A.
В своей дальнейшей научной деятельности Николай Иванович Марин сосредоточился на исследовании закономерностей первой стадии разрушения — выносливости до образования усталостных трещин. Стадия роста усталостных трещин в натурных конструкциях самолетов начала серьезно изучаться учениками Н.И. Марина в ЦАГИ с 70-х годов после катастрофы самолета Ан-10А из-за усталостного разрушения центроплана крыла.
Н.И. Марин является одним из создателей экспериментальной базы ЦАГИ. Еще на заре развития авиации были начаты разработки основ методики статических испытаний и создание экспериментальной базы для этих испытаний. В начале 20-х годов Н.И. Марин с коллегами уже проводил первые статические испытания агрегатов самолетов отечественного производства в московском ЦАГИ. При испытаниях конструкция нагружалась сосредоточенными силами или применялся балластный способ нагружения, когда загрузка производилась равномерно распределенным по поверхности естественным грузом — мешками с песком или дробью. В 30-х годах балластный способ был заменен нагружением с помощью рычажной системы. В 1925 году в московском ЦАГИ впервые в СССР Николай Иванович провел статические испытания на прочность всех частей самолета Юнкерс-21.
В 1936 году началось строительство Нового ЦАГИ в поселке Стаханово. Марин Н.И. руководил строительством лаборатории прочности, будучи главным инженером ОПАК с 1935 года. За период 1937—1940 гг. в поселке Стаханово под Москвой (ныне
г. Жуковский) была создана новая база ЦАГИ, включающая комплекс установок для исследований прочности авиационных конструкций — залы статических и динамических испытаний и лаборатория механических испытаний элементов конструкций.
В 1946 году в новой лаборатории статической выносливости, оборудованной комплексом различных низкочастотных установок, Н.И. Марин впервые провел испытания на выносливость некоторых натурных конструкций самолета. В 1945 году были испытаны на статическую выносливость крылья самолетов Ла-7 и Як-7, позволившие выявить слабые участки конструкций и дать рекомендации по их усилению. В 1947 году был организован самостоятельный отдел повторно-статических испытаний самолетных конструкций под руководством Николая Ивановича Марина. С начала 50-х годов эти испытания стали обязательными для определения ресурса отечественных самолетов всех классов, тогда как в США и Англии такие испытания были введены лишь после катастроф самолетов "Комета" в 1954 году и бомбардировщиков В-47 в 1958 году из-за усталостных разрушений конструкций фюзеляжа и крыла соответственно.
Для объективности надо сказать, что еще в конце 1930-х годов в Германии проводились исследования по выносливости самолетов. До этого для получения кривой усталости использовались повторные нагрузки постоянной амплитуды. Кстати, "кривая усталости" была предложена немецким инженером Велером еще в 1860-х годах. Использование этой кривой и предложенной в 1924 году Пальмгреном гипотезы линейного накопления усталости позволяет определить усталостную долговечность конструкции в зависимости от действующих в эксплуатации нагрузок.
В 1939 году в Немецком исследовательском авиационном институте ^УЬ) Гасснер впервые предложил программные испытания конструкции самолета, потому что такой подход наиболее реально воспроизводит условия работы конструкции в эксплуатации. Сравнение долговечности, полученной таким способом, с действительной было проведено для крыла немецкого самолета Ju-52. В период войны произошло усталостное разрушение по заклепочному шву лонжерона крыла Ju-52. Значение долговечности конструкции лонжерона этого самолета, полученное при программных испытаниях, совпали с точностью 10% со значением долговечности лонжерона в эксплуатации. При этом поверхности разрушения в случае испытания и эксплуатации оказались идентичными. Предложенный метод программных испытаний применяли в Германии в период Второй мировой войны при проектировании новых самолетов, например самолета Ju-86 (1942 год). После войны этот метод применяли в основном при проектировании автомобилей.
В 1941 году Гасснер защитил докторскую диссертацию по методике программных испытаний самолетных конструкций. Николай Иванович Марин был ознакомлен с результатами исследований Гасснера после окончания Великой отечественной войны.
В к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.