ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 4, 2008
УДК 629.7.015.4.028.2
© 2008 г. Нестеренко Г.И., Козлов А.Г., Нестеренко Б.Г., Стойда Ю.М.
ЖИВУЧЕСТЬ ЗАКЛЕПОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОБШИВКИ ФЮЗЕЛЯЖА
Даны экспериментальные исследования усталости и живучести панелей, представляющих собой продольный стык "внахлест" обшивки фюзеляжа. Приведены поправочные коэффициенты для расчета коэффициентов интенсивности напряжений, долговечность панелей до образования трещин, длительность роста усталостных трещин до разрушения панелей и критерии их остаточной прочности.
Исследование живучести самолетных конструкций, поврежденных многоочаговыми трещинами, является одной из основных проблем обеспечения летной годности длительно эксплуатируемых самолетов. В СССР эти работы были начаты в 1972 году после катастрофы пассажирского самолета Ан-10А из-за обширных усталостных повреждений обшивки и стрингеров нижней поверхности крыла [1]. В США и Европе интенсивные исследования многоочаговых повреждений были начаты после инцидента с самолетом Боинг 737-200 авиакомпании Aloha в 1988 году. В настоящее время в нормативных документах сформулированы требования по обеспечению прочности конструкций самолетов с многоочаговыми повреждениями.
Обеспечение живучести конструкций с многоочаговыми трещинами связано с оценкой остаточной прочности конструкций с такими трещинами. Было предложено несколько критериев остаточной прочности конструкций с многоочаговыми повреждениями. В работе [2] рассмотрен критерий, основанный на "соприкосновении зон пластичности", в [3] проведены расчетно-экспериментальные исследования возможности применения ^-кривых для расчета остаточной прочности конструкций с многоочаговыми трещинами. В работе [4] в качестве критерия остаточной прочности предложен критический угол раскрытия конца трещины, а в [5] представлены расчетно-экспериментальные исследования роста усталостных трещин в заклепочных соединениях внахлест образцов обшивки фюзеляжа. В работе [1] получен экспериментальный критерий остаточной прочности герметических фюзеляжей с многоочаговыми трещинами в продольных стыках внахлест обшивки, который представляет собой произведение предела текучести материала обшивки на безразмерный поправочный коэффициент.
В настоящей статье приведены результаты экспериментов, уточняющие критерии остаточной прочности, а также определяющие усталость и длительность роста многоочаговых трещин в продольных стыках внахлест обшивки фюзеляжа.
Образцы для испытаний и методика эксперимента. Соединение листов обшивки осуществляли по принятой производственной технологии при серийной сборке фюзеляжей двумя рядами заклепок по 21 в каждом; диаметр заклепок 4,8 мм. Отверстия под заклепки не зенковали. Нагрузку прикладывали поперек прокатки листов. Материал обшивки сплав 2024-Т3А, толщина листов 2 мм, ширина W = 462 мм. Испытано два типа образцов: в первом в обоих рядах заклепки из алюминиевого сплава (при испытаниях на усталость их разрушение происходило по верхнему ряду заклепок, по сечению с полукруглыми головками заклепок); в другом - заклепки в верхнем ряду заменены титановыми болтами Hi-Lock, а в нижнем ряду остались алюминиевые заклепки (разрушение происходило по нижнему ряду заклепок по сечению с цилиндрическими головками).
Рис. 1
Испытание на усталость проводили на электрогидравлических машинах MTS 250 циклическими нагрузками с максимальными напряжениями цикла omax = 120 МПа и коэффициентом асимметрии цикла 0,1, частотой нагружения 1 Гц. Разрушение образцов обоих типов происходило из-за многоочаговых трещин. В образцах первого типа образовывались угловые трещины у отверстий, а во втором случае - угловые трещины у отверстий и трещины на поверхности листа на расстоянии 2-3 мм от отверстия.
Для отработки методики определения коэффициентов интенсивности напряжений, используемых при расчетах скорости роста трещин и остаточной прочности, были изготовлены и испытаны серии промежуточных образцов для: получения зависимости скорости роста трещин от размаха коэффициента интенсивности напряжений da/dN = f(AK) (серия 1); получения ^-кривых (серия 2); определения влияния свободного (незаполненного) отверстия на коэффициент интенсивности напряжений K (серия 3); определения влияния заполненного отверстия на K (серия 4); определения влияния на K передачи нагрузки через заклепки (серия 5); определения влияния изгиба на K (серия 6); определения зарождения и роста трещин у отверстий продольного стыка обшивки (серия 7).
Для сравнения результатов испытаний всех серий образцов необходимо, чтобы их разрушение происходило по нижнему ряду заклепок (по сечению с цилиндрическими замыкающими головками заклепок). Однако, при испытании образцов серий 6 и 7, в которых стыки осуществляли двумя рядами заклепок, разрушение образцов происходило по верхнему ряду заклепок (рис. 1). Для обеспечения разрушения образцов по зачетному нижнему ряду заклепок часть образцов серий 6 и 7 была переклепана. Заклепки верхнего ряда были заменены на титановые болты Hi-Lock. Разрушение переклепанных образцов происходило по зачетному нижнему ряду заклепок из-за многоочаговых трещин. Однако при испытании образцов серии 7 с переклепанным верхним рядом заклепок образовывались лидирующие трещины у крайних заклепок нижнего ряда. В связи с этим, в части образцов серии 7 дополнительно было заменено по две крайние заклепки нижнего ряда на титановые болты Hi-Lock, чтобы исключить образование лидирующих трещин у крайних заклепок. В результате получены образцы серий 6.1 и 7.1. Методом фрактографии определены скорости и длительности роста трещин. В каждом сечении разрушенных образцов серий 6.1 и 7.1 наблюдали поверхностные и угловые трещины у отверстий.
Поправочные коэффициенты интенсивности напряжений в исследуемых образцах, представляющих собой продольные стыки внахлест обшивки герметических фюзеляжей, вычисляются по формуле K = ajnaР1Р2Р3Р4в5, где K- коэффициент интенсивности напряжений, a = L/2 - полудлина трещины, измеряемая от центра отверстия, - поправка на конечную ширину образца, в2 - поправка на свободное отверстие, в3 - по-
da / dN, мм/цикл 100
10-
10-
10-
10-
/
£
J
+ F=Н i
к.
/ +1
к
л ч
101 ДК, МП^л/м 102
Рис. 2. Скорости роста трещин в плакированном листе из сплава 2024-Т3А
правка на заполненное отверстие, Р4 - поправка на передачу нагрузки через заклепки (изгиба нет), Р5 - поправка на влияние изгиба.
Поправка на конечную ширину образца W приближенно определяется из выражения
в1 = J sec (na/W). Скорость роста трещин можно определить по формуле Пэриса da/dN = cAK".
Из результатов испытаний образцов серии 1 (рис. 2) получено, что n = 4. Тогда значения в2, Р3, в4 и Р5 определяются извлечением корня 4-й степени из соответствующих отношений экспериментальных длительностей роста трещин. Поправочные коэффициенты р; представлены на рис. 3.
Долговечность образцов серии 7.1, в которых титановые болты Hi-Lock были установлены в верхнем ряду отверстий и в двух крайних отверстиях нижнего ряда, равна N = 46531-109673 циклов. Долговечность образцов серии 6.1, в которых титановые болты Hi-Lock только в верхнем ряду, составляет N = 32918-47902 циклов. Разрушение образцов происходило из-за многоочаговых трещин у заклепок нижнего ряда. Заклепки были установлены по серийной технологии с коэффициентом натяга SQ = 24.
Длительность роста усталостных трещин в образцах серии 7.1 определяли визуально в процессе испытаний, а также методом фрактографии после их разрушения. На рис. 4 показаны сечения излома и усталостные трещины в одном из испытанных образцов.
На рис. 5 приведена кривая роста усталостных трещин L = f(N) в образце 7.1. Рост этой трещины с момента образования глубиной c = 0,25 мм до сквозной трещины глубиной c = 2 мм составляет ANj = 7500 циклов. Длительность роста сквозных трещин от полудлин (включающих радиус отверстий) a = 5 до a = 13-15 мм (при которых происходило объединение многоочаговых трещин и полное разрушение образ-
Ь, мм
Ы,циклов
Рис. 3 Рис. 5
Рис. 4. 1 - очаг зарождения усталостной трещины, 2 - медленная усталость (<10 2 мм/цикл), 3 - быстрая усталость (>10 мм/цикл), 4 - долом
цов) ДМ2 = 32000 циклов. Длительность роста сквозных трещин установлена визуально. Таким образом, суммарная длительность роста многоочаговых трещин ДМ = ДМ + ДМ2 = = 39500 циклов. Это составляет примерно 35% от суммарной долговечности. Длительности роста трещин являются ориентиром для определения периодов ремонтов продольных стыков обшивки фюзеляжей или наработки до списания самолетов. Следует отметить, что определение длительности эксплуатации по характеристикам живучести продольных стыков фюзеляжей затруднительно, так как визуально многоочаговые трещины трудно обнаружить (их критическая полудлина равна =15 мм).
Остаточную прочность образцов серии 6.1 определяли по результатам испытаний. После их разрушения циклическими нагрузками отах = 120 МПа замеряли площади повреждений и вычисляли разрушающие напряжения "нетто", при определении площади повреждений суммировали площади усталостных трещин и площади отверстий. Из разрушенных панелей вырезали специальные образцы для определения механических характеристик материала. По результатам этих испытаний получено среднее значение предела текучести материала 2024-Т3А о0,2 = 358 МПа.
В испытанных образцах серии 6.1 площади повреждений составляют от 263 до 2
380 мм . Разрушающие напряжения "нетто" соответственно равны от 170 и 204 МПа, а относительные разрушающие напряжения этих образцов о^ = ао0,2 = (0,47-0,54)о02.
Результаты исследований позволяют оценивать характеристики живучести продольных стыков внахлест обшивки фюзеляжа на этапах проектирования и эксплуатации самолетов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нестеренко Г.И. Остаточная пр
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.