Методика розрахунку довговічності болтових і заклепочних з'єднань елементів авіаційних конструкцій за локальним напружено-деформованим станом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського

"Харківський авіаційний інститут"

УДК 629.735.33.015.4

Методика розрахунку довговічності болтових і заклепочних з,єднань елементів авіаційних конструкцій за локальним напружено-деформованим станом

Спеціальність 05.07.03 - Міцність літальних апаратів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Гонтаренко Андрій Петрович

ХАРКІВ 2000 р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, завідуючий кафедрою "Механіка та міцність літальних апаратів" Фомічов Петро Олександрович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Львів Геннадій Іванович, Харківський Національний технічний університет "ХПІ", завідуючий кафедрою "Динаміка та міцність машин"

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник ГНДЛ "ПРОЧНОСТЬ" Трубчанін Ігор Юрійович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут"

Провідна установа: Авіаційний науково-технічний комплекс "АНТОНОВ", Державний комітет промислової політики України, м. Київ

Захист відбудиться "3" листопада 2000р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.03 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків - 70 , вул. Чкалова , 17

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" м. Харків, вул.Чкалова, 17

Автореферат разісланий "2" жовтня 2000р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук Шеломов М.А.

Анотацiя

пружнопластичний нейбер напруження

Гонтаренко А.П. Методика розрахунку довговічності болтових і заклепочних з,єднань елементів авіаційних конструкцій за локальним напружено-деформованим станом.- Рукопис.

Дисертаціїна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.03 - міцність літальних апаратів. Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут". Міністерства освіти та науки України. Харків, 2000 р.

Проведено дослідження пружного та пружнопластичного напружено-деформованого стану на контурі заповненого та навантаженого отворів методом скінченних елементів, виконано аналіз застосовності наближених залежностей для розрахунку локальних пружнопластичних напружень і деформацій. Установлено задовільне узгодження результатів розрахунків МСЕ в пружнопластичній постановці за залежністю Нейбера.

Виконано аналіз застосовності відомих гіпотез міцності для визначення локальних пружних зведених напружень при довісному напруженому стані в місці зародження тріщини від утомленості, вибрано гіпотезу максимальних нормальних деформацій.

Розроблено алгоритми формування локальних циклів напружень і деформацій на контурі заповненого та навантаженого отворів в умовах циклічного навантаження.

Створено методику врахування градієнтів пружнопластичних напружень при розрахунку довговічності з,єднань.

Опрацьовано методику, розрахунку довговічності болтових і заклепочних з,єднань за локальним напружено-деформованим станом.

Проведено експериментальну перевірку методики в умовах регулярного та програмного видів навантажень. Виявлено задовільне узгодження результатів розрахунків та експериментів.

Виконано розрахунки довговічності силових елементів крила літака в умовах програмного навантаження при втомних випробуваннях. Запропоновано рекомендації стосовано способів ремонту конструкції.

Ключовi слова: заповненi та навантаженi отвори, локально напружно-деформований стан, довговічность.

Аннотация

Гонтаренко А.П. Методика расчета долговечности болтовых и заклепочных соединений по локальному напряженно-деформированному состоянию. - Рукопись.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.03 - прочность летательных аппаратов. Харьковский Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт". Министерство образования и науки Украины, Харьков, 2000г.

Диссертация посвящена разработке методики расчета долговечности болтовых и заклепочных соединений по локальному напряженно-деформированному состоянию.

Исследованы два типа соединений из авиационного сплава Д16АТ в диапазоне долговечности от до циклов нагружения до разрушения.

Метод определения долговечности по локальному НДС появился вследствие необходимости повышения точности и универсальности расчетов. Основан он на анализе напряжений и деформаций в зоне их максимальной концентрации, а также на использовании циклических деформационных и усталостных характеристик материала, получаемых по результатам испытаний гладких образцов.

Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния на контуре заполненного и нагруженного отверстий в упругой и упругопластической постановках методом конечных элементов (МКЭ).

Проведен анализ применимости приближенных зависимостей для расчета локальных упругопластических напряжений и деформаций на контуре заполненного и нагруженного отверстий. Установлена возможность применения уравнения Нейбера для определения компонент упругопластического напряженно-деформированного состояния.

Проанализирована применимость известных гипотез прочности для определения локальных приведенных напряжений при двухосном напряженном состоянии в месте зарождения усталостной трещины. Выбрана гипотеза максимальных нормальных деформаций. Выбор основан на том, что приведенные напряжения, определенные по этой гипотезе для заполненного отверстия, позволяют учесть знак главных напряжений и удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Разработана методика формирования локальных циклов напряжений и деформаций при циклическом нагружении. Локальное НДС на контуре заполненного и нагруженного отверстий имеет особенности, связанные с наличием контактного взаимодействия стенки отверстия и крепежного элемента.

Создана методика учета градиентов упругопластических напряжений в заполненном и нагруженном отверстиях при расчете долговечности. Выполнен анализ влияния градиентов напряжений на расчетные значения долговечности образцов с заполненным и нагруженным отверстиями. Установлено, что учет градиентов при определении долговечности дает лучшее согласование с экспериментом.

Экспериментальная проверка предлагаемой методики проведена на образцах с заполненным и нагруженным отверстиями в условиях регулярного и программного одноосного нагружения. Образцы с заполненными отверстиями испытаны при регулярном отнулевом, симметричном и асимметричном циклах внешней нагрузки, с нагруженным отверстием - при отнулевом нагружении. Проведены также экспериментальные исследования долговечности при блочном нагружении. Испытаны те же образцы с нагруженным отверстием, что и при регулярном нагружении. Отмечено удовлетворительное согласование результатов расчетов и экспериментов.

Основные результаты работы внедрены на АНТК им. А.Н. Туполева. В процессе проведения усталостных испытаний самолета в ЦАГИ выявлены разрушения в нижней панели отъемной части крыла в зонах радиусного перехода под рельс закрылка и по второй нервюре. Использование предлагаемой методики позволяет прогнозировать возможные разрушения, быстро и эффективно осуществлять анализ вариантов ремонта, что уменьшает простои во время испытаний и удешевляет сами испытания.

Ключевые слова: заполненное и нагруженное отверстия, локальное напряженно-деформированное состояние, долговечность.

Summary

A.P. Gontarenko. Method of calculation service life of bolt and riveted joints on local sterssed-strained state. - Manusscript.

This thesis is degree of candidate of engineering science on the speciality 05.07.03 - aircraft strengtth. N.E. Zhukovsky National Aeronautical University "Khai" . Ministry of Science and Education of Ukraine, Kharkiv, 2000.

This thesis is devoted to the development of the methods of calculation of service life of bolted and riveted joints on local stressed-strained state.

The analysis of stressed-strained state on the contour of filed and loaded holes in elastic and aeroelastic perfomancel was earried out by the method of finite elements.

The analysis of applicability of approximate dependences for the calculation of local aeroelastic stresses and strains on the contour of filled and loaded holes has been performed.

The applicability of the famous strength hypotheses for the definition of the given local stresses under two-axis stressed state in the spot of appearance of fatigue crack has been analysed.

The methods of formation of local stress and strain cycles loading has been developed.

The methods of accounting of stress gradients in the filled and loaded holes under cyclic loading have been created.

The experimental check of the methods of calculation of service life of joints on the local stressed-strained state has been carried out.

The main results of the work have been introduced at A.N. Tupolev A@T.

The key words : filled and loaded holes, local stressed-strained state, service life.

1. Актуальність теми

Розвиток літакобудування, розширення сфери авіаційних послуг, а також посилення конкуренції між авіаційними компаніями за ринки збуту визначають нові задачі стосовано підтримання заданого ресурсу існуючої авіаційної техніки та забеспечення більш високого ресурсу при створенні нової техніки.

Болтові та заклепочні з,єднання в цей час продовжують залишатися найпоширенішим видом з,єднань елементів конструкції планера літака. Відомі випадки зруйнування в експлуатації силових елементів конструкцій, зокрема, панелей крила, полок лонжеронів, вузлів кріплення двигунів.

Зв”язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, які склали основу дісертації, отримані здобувачем як виконавцем тем: “Розробка системи оперативного контролю міцності та довговічності локальних зон елементів конструкцій при їх повторностатистичних навантаженнях” (Г102-8/92), “Розробка та впровадження методів підвищення довговічності елементів авіаконструкцій” (Г102-13/89). Вони виконувалися у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Мета и задачі дослідження. Метою даної роботи є опрацювання методики розрахунку довговічності болтових і заклепочних з,єднань до виникнення тріщини як результату втомленості за локальним напружено-деформованим станом.

На захист виносяться:

1. Методика визначення локального пружнопластичного стану на контурі заповненого та навантаженого отворів із використанням залежності Нейбера.

2. Методика деформування локальних циклів напружень і деформацій на контурі заповненого та навантаженого отворів при циклічному навантаженні.

3. Результати експериментальних досліджень довговічності з,єднань при циклічному навантаженні.

4. Методика розрахунку довговічності болтових і заклепочних з,єднань за локальним напружено-деформованим станом.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано методику розрахунку локального пружнопластичного напружено-деформованого стану (НДС) на контурі заповненого та навантаженого отворів із використанням наближеної залежності Нейбера.

2. Розроблено алгоритм формування локальних циклів напружень і деформацій на контурі заповненого та навантаженого отворів в умовах циклічного навантаження.

3. Створено методику розрахунку довговічності болтових та заклепочних з,єднань за локальним напружено-деформованим станом.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено програмне забеспечення для розрахунків з,єднань, яке застосовано на практиці при проведенні доробок і ремонтів елементів натурних авіаційних конструкцій. Результати роботи використано при проведенні спільних робіт по визначенню ресурсу і доробці агрегатів натурних конструкцій з АНТК ім. А.Н. Туполєва (м.Москва) і ЦАДІ (м. Жуковський).

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримани автором самостійно. У публикаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: у роботі [1] - проведення параметричних розрахунків напружно-деформованого стану панелі крила літака ; у роботі [2] - формулювання основних положень методики проектування доробок і ремонтів на задану довговічність; у роботі [3] - розроблення методики розрахунку довговічності елементів конструкцій з контактною передачею вантажа; у роботі [4] - пропонування засобу іспитів елементів конструкцій літальних апаратів; у роботі [5] - обгрунтування вибору залежності для визначення локальних зведених напружень на контурі заповненого та навантаженого отворів; у роботі [6] - обгрунтування застосування залежності Нейбера для визначення локальних напружень і деформацій у місці їх максимальної концентрації; у роботі [7] - методом кінцевих елементів дослідження пружнопластичніих градієнтів напружень і деформації на контурі заповненого та навантаженого отворів. Постановку задач, аналіз та трактування результатів проведено спільно з науковим керівником.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались на IV Всесоюзній науковій конференції “Сучасні проблеми будівної механіки та міцності літальних апаратів” (м. Харків, 1991р.), міжнародній науково-технічній конференції “Вдосконалення турбоустановок методами математичного моделювання та фізичного експерименту” (м. Зміїв, 1994 р.), на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ХАІ, НТС АНТК ім. А.Н.Т Туполєва ( 1989-1990 р.р.), ЦАДІ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 4 статті, 2 доклади, одне авторське свідоцтво.

Обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаної літератури. Робота містить в собі 129 сторінок машинописного тексту, 71 рисунок, 7 таблиць та список використанніх джерел із 88 найменувань.

2. Зміст роботи

У вступі формулюється актуальність поставленої проблеми, підкреслюються її наукова новизна і практична цінність.

Перший розділ присвячено огляду літератури згідно з темою роботи. Розглянуто існуючі методи розрахунку довговічності за номінальними напруженнями і локальним напружено-деформованим станом, критерії руйнування від утомленості, моделі накопичення пошкоджень від утомленості. Наведено методики визначення загального та локального напружено-деформованих станів елементів конструкцій.

Розрахунок за номінальними напруженнями базується на використанні рівняння кривої утомленості стандартного зразка ( полоса з вільним або заповненим отвором), залежностей для розрахунку еквівалентних напружень, емпіричних співвідношень для знаходження ефективного коефіцієнта концентрації напружень, лінійної гіпотези підсумовування пошкоджень від утомленості.

Слід зазначити, що залежності, які використовуються при розрахунку довговічності за номінальними напруженнями, функціонально не зв,язані між собою і містять ряд коефіцієнтів, які необхідно визначати за результатами експериментальних досліджень. За наявності плоского поля напружень немає однозначності у виборі конкретного значення номінального напруження, розрахунок довговічності "регулярної зони" неможливий, тому що в цьому випадку не визначені напруження від зминання. В процессі циклічного навантаження відбувається також зміна деформаційних характеристик матеріалу. З достатнім ступенем точності ці методики можна застосовувати для геометрично нескладних конструктивних елементів, які працюють в умовах одновісного поля номінальних напружень. Використання цих методик доцільне на стадії одержання попередніх прогнозів місць руйнувань. Численні дослідження показали, що суттєвий прогрес у вирішенні проблеми можливий у випадку застосування методу розрахунку довговічності за локальним напружено-деформованим станом.

Метод визначення довговічності за локальним НДС виник як наслідок необхідності підвищення точності та універсальності розрахунків. Базується він на аналізі напружень і деформацій в зоні їхньої максимальної концентрації, а також на використанні циклічних деформаційних і утомних характеристик матеріалу, одержаних за результатами випробувань гладких зразків. Огляд літературних джерел свідчить про те, що цей метод добре досліджений і розвинутий стосовно до геометричних концентраторів напружень.

У представленій роботі запропоновано методику розрахунку довговічності болтових і заклепочних з,єднань, опрацьовану на основі методу розрахунку довговічності елементів конструкцій з геометричними концентраторами напружень за локальним НДС, створеного під керівництвом професора П.О.Фомічова і основаного на енергетичному підході до аналізу руйнувань від утомленості.

Основними положеннями методу є:

1. Визначення локального НДС на контурі геометричного концентратора напружень з використанням рівняння Нейбера.

2. Врахування зміни циклічних деформаційних властивостей матеріалу в процесі навантаження.

3. Параметром, який несе відповідність за виникнення тріщини від утомленості, вибрана величина розсіяної за цикл навантаження енергії, що функціонально зв,язана із залишковою деформацією.

4. Розрахунок довговічності геометричного концентратора проводиться з урахуванням пружнопластичного градієнта напружень і деформацій.

Відмітні особливості запропонованої методики від базового методу:

1. Застосування в рівнянні Нейбера при розрахунку пружнопластичного НДС на контурі заповненого та навантаженого отворів різних коефіцієнтів концентрації пружних напружень при розтягненні та стисненні.

2. Використання при визначенні пружнопластичного НДС на контурі заповненого отвору в рівнянні Нейбера коефіціента концетрації зведених напружень.

3. Врахування градієнтів зведених напружень при розрахунку довговічності з,єднань.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено такі задачі:

1. Виконано аналіз напружено-деформованого стану на контурі заповненого та навантаженого отворів у пружній та пружнопластичній постановках методом скінченних елементів (МСЕ).

2. Проведено аналіз застосовності наближених залежностей для розрахунку локальних пружнопластичних напружень і деформацій на контурі заповненого та навантаженого отворів.

3. Проаналізовано застосовність відомих гіпотез міцності для визначення локальних зведених напружень при двовісному напруженому стані в місці зародження тріщини від утомленості.

4. Створено методику формування локальних циклів напружень і деформацій при циклічному навантаженні.

5. Опрацьовано методику врахування градієнтів напружень в заповненому та навантаженому отворах при розрахунку довговічності.

6. Проведено експериментальну перевірку методики розрахунку довговічності з,єднань за локальним напружено-деформованим станом.

Другий розділ присвячено дослідженню локального пружного та пружнопластичного НДС на контурі заповненого та навантаженого отворів.

Проведено тестові розрахунки локального НДС програмою МСЕ PAPST у пружній постановці на контурі вільного отвору. Результати розрахунків добре узгоджуються з теоретичним розв,язком, похибка не перевищує 1-2%.

Здійснено розрахунки локального пружнопластичного НДС і результати порівняно з експериментальними замірами локальних пружнопластичних деформацій на контурі отвору в зразках із сплаву Д16АТ, виконаних В.В.Звягінцевим за допомогою малобазних тензометрів при монотонному і циклічному навантаженні. На рис.1,а наведено результати розрахунків МСЕ та експериментальних замірів у вигляді діаграм локального деформування в координатах -при монотонному навантаженні, на рис. 1,б - в координатах - - при циклічному навантаженні.

Установлено задовільне узгодження експериментальних даних і розрахунків МСЕ. Розрахункова схема МСЕ зразка з вільним отвором використана для розрахунків пружного та пружнопластичного напружено-деформованого стану та контурі заповненого та навантаженого отворів.

При проведенні пружнопластичних розрахунків МСЕ локального НДС як вихідні дані прийнято діаграми деформування матеріалу, одержані при монотонному або циклічному деформуванні. Вигляд діаграм залежить від циклічних деформаційних властивостей матеріалу, напрацювання і програми навантаження. Врахування цих факторів значно ускладнює проведення розрахунків МСЕ при циклічному пружнопластичному деформуванні. Тому на практиці одержали застосування наближені залежності, які визначають співвідношення між коефіціентами концентрації локальних напружень та деформацій при пружнопластичному і пружному деформуванні матеріалу в концентраторі напружень. Найчастіше використовується залежність, запропонована Г. Нейбером.

Проведено порівняння пружнопластичних розрахунків із розрахунками за формулою Нейбера

, (1)

де - локальне напруження;

- повна локальна деформация;

Кт - коефіцієнт концентрації пружніх напружень, чисельно рівний відношенню величини максимальних пружних напружень на контурі отвору, визначених з умови лінійності фізичного закону, до величини номінальних напружень;

Установлено задовільне узгодження результатів розрахунків.

Проведено детальне дослідження коефіціента концентрації пружних напружень на контурі навантаженного отвору при розтягненні та стисненні. На контурі геометричного концентратора цей коефіцієнт при розтягненні та стисненні має однакове значення. На контурі заповненого та навантаженого отворів, за наявності розриву дуги контакту, коефіцієнт концентрації пружних напружень при розтягненні та стисненні набуває різних значень - Кт розт та К т стисн.

Одержано співвідношення для коефіцієнта концентрації пружних напружень Кт залежно від параметра ?зм/?ном (рис. 2):

, (2)

де Кзм - коефіцієнт зминання;

Кто - коефіцієнт концентрації пружних напружень на контурі вільного отвору;

зм - напруження від зминання в отворі.

Аналогічне співвідношення в області розтягнення запропоновано В.П.Павелком (рис. 2).

Відомо, що на контурі навантаженого отвору осередку тріщини від утомленості відповідає точка розриву дуги контакту, де реалізується одновісний напружений стан. У заповненому ненавантаженному отворі осередок руйнувань від утомленості не збігається з точкою розриву дуги контакту і знаходиться всередині зони контакту. Це встановлено з порівняння результатів опублікованих експериментальних даних О.Г. Лебединського і М.В. Кошелєва щодо визначення довговічності з,єднань і виконаних у даній роботі розрахунків МСЕ. В цьому випадку розрахунок довговічності слід проводити за локальними зведеними напруженнями, визначеними за якою-небудь гіпотезою міцності. Необхідність такого кроку продиктована ним, що циклічні деформаційні та утомні характеристики матеріалу одуржують при одновісному напруженому стані.

Виконано аналіз застосовності відомих гіпотез міцності в умовах плоского поля напружень: максимальних нормальних напружень, максимальних нормальних деформацій, максимальних дотичних напружень, питомої енергії деформації. Розрахунки за цими гіпотезами для сплаву Д16АТ дають близькі результати. Вибрана гіпотеза максимальних нормальних деформацій

, (3)

Вибір оснований на тому, що зведені напруження, визначені за цією гіпотезою для заповненого отвору, дозволяють врахувати знак головних напружень і задовільно узгоджуються з експериментальними даними. Встановлено, що тріщини від утомленості на контурі заповненого ненавантаженого отвору утворюються в точці, де зведені напруження мають максимальне значення. На контурі навантаженого отвору в точці розриву дуги контакту ці напруження збігаються з першими головними, а ?2,?3 дорівнюють нулю.

В дальшому в правій частині рівняння Нейбера (1) при дії плоского поля напружень замість добутку Кт ном використані пружні зведені напруження зв. Головні напруження 1, 2 визначаються з пружного розрахунку МСЕ.

Основні агрегати планера літака (крило, фюзеляж, оперення) складаються з великої кількості деталей складної геометричної форми, які стикуються між собою з допомогою болтів і заклепок. Руйнування від утомленості з,єднань в елементах конструкцій, як правило, мають локальний характер. Розрахунок напружено-деформованого стану в зоні руйнування виконаний за два етапи.

На першому етапі проведено розрахунок загального напружено-деформованого стану елемента конструкції з урахуванням піддатливості зв,язків.

Як граничні умови прийнято дані тензометрії або розрахунку напруженого стану агрегата в цілому. Результати розрахунку використано як граничні умови при визначенні локального напружено-деформованого стану в місці зародження тріщини від утомленості.

У роботі для розрахунку піддатливості кріпильного елемента прийнята напівемпірична залежність Свіфта.

Виконано експериментальну перевірку методики розрахунку зусиль на кріпильний елемент у двозрізному з,єднанні з допомогою навісного тензометра в умовах розтягнення та стиснення. Відмічено задовільне узгодження (в межах 10%) величин зусиль на болт, одержаних із розрахунку та експерименту.

На другому етапі, також з використанням МСЕ, методом ітерацій визначено дугу контакту та локальний пружний напружено-деформований стан на контурі заповненого та навантаженого отворів. У випадку розриву дуги контакту аналітичні розв,язки в замкненому вигляді одержати не вдається. Величини локальних пружних напружень на контурі заповненого та навантаженого отворів добре узгоджуються з експериментальними даними, одержаними методом фотопружності.

Проведено зіставлення локальних пружнопластичних напружень і деформацій на контурі заповненого та навантаженого отворів, одержаних із розрахунку МСЕ і за залежністю Нейбера. Виявлено задовільне узгодження результатів розрахунків. На рис. 3,а подано діаграми деформування матеріалу при монотонному навантаженні в точці максимальної концентрації на контурі заповненого отвору в координатах- , на рис. 3,б - на контурі навантаженого отвору.

Відомо, що при однакових значеннях теоретичного коефіцієнта концентрації напружень і рівних номінальних напруженнях більшу довговічність мають ті зразки, в яких радіус концентратора меньший, тобто довговічність зростає з підвищенням градієнта напружень в зоні концентрації. При визначенні довговічності геометричних концентраторів з радіусами 2...5 мм необхідно враховувати градієнт пружнопластичних напружень. Стосовано до силових концентраторів це питання не досліджено.

Визначено пружнопластичні градієнти напружень і деформацій МСЕ на контурі навантаженого та заповненого отворів, зіставлені з відповідними величинами градієнтів, одержаними з використанням залежності Нейбера:

,

,

= (4)

, , , ,

де - відносний градієнт пружних напружень;

- радіус отвіру.

Задовільне узгодження результатів дає підставу для застосування рівняння (4) для розрахунку пружнопластичних градієнтів напружень і деформацій в заповненому та навантаженому отворах.

У третьому розділі подано методику розрахунку довговічності болтових і заклепочних з,єднань за локальним напружено-деформованим станом.

Використання енергетичного критерію при розрахунку довговічності тіл з геометричними концентраторами за локальним НДС дає найкраще узгодження з експериментальними даними. Тому при розрахунку довговічності з,єднань прийнято цей самий критерій.

Основним параметром, що характерезує момент виникнення тріщини, є величина розсіяної за цикл навантаження енергії:

, (5)

де - коефіцієнт форми петлі гістерезису, в практичних розрахунках = 2.67;

- амплітуда напружень в точці максимальної концентрації напружень;

- амлітуда залишкової деформації в концентраторі напружень.

Локальний НДС на контурі заповненого та навантаженого отворів мають особливості, пов,язані з наявністю контактної взаємодії стінки отвору і кріпильного елемента. Опрацьовано методику формування локальних циклів напружень і деформацій на контурі заповненого та навантаженого отворів в умовах циклічного навантаження.

На першому напівциклі матеріал деформується згідно з кривою монотонного деформування

, (6)

где - максимальные локальное напряжение и соответствующая ему деформация;

Локальні пружнопластичні напруження в точці максимальної концентрації визначимо за формулою Нейбера

, (7)

де - максимальне локальне пружнє зведене напруження, знайдене з розрахунку МСЕ:

Визначені в результаті сумісного розв,язання рівнянь (6) і (7) величини приймаємо як координати точки реверса напружень і деформацій при розрахунку параметрів локального циклу.

Подальше деформування відбуватиметься згідно з циклічною діаграмою деформування. Приписується, що при переході від монотонної діаграми деформування до циклічної перехідні процеси не враховуються.

Рівняння Нейбера при циклічному регулярному навантаженні для заповненого та навантаженого отворів мають вигляд:

, (8)

де maxзв, minзв - максимальне та мінімальне зведені пружні локальні напруження в циклі навантаження.

Амплітуду повної деформації визначимо з урахуванням рівняння діаграми циклічного деформування матеріалу при асиметричному навантаженні:

, (9)

, (10)

де - напруження тимчасового опору;

- параметри діаграми циклічного деформування матеріалу, що одержуються за результатами випробувань гладких зразків.

Середнє напруження локального циклу

. (11)

Амплітуда залишкової деформації в точці максимальної концентрації на контурі заповненого та навантаженого отворів складе

. (12)

Величину розсіяної за цикл навантаження енергії знайдемо за формулою (5). Величину розсіяної енергії на відстані d від вершини надрізу можна визначити як

, (13)

де - градієнт розсіяної енергії.

Число циклів до зародження мікротріщин в концентраторі напружень при регулярному навантаженні визначимо згідно з енергетичним критерієм руйнування від утомленості

. (14)

, (15)

де - параметри енергетичного критерію руйнування матеріалу, що одержуються за результатами випробувань гладких зразків.

Формування локального циклу при програмному навантаженні має особливість, яка полягає в тому, що після перевантаження на ступені з максимальною амплитудою номінального напруження величина амплітуди залишкової деформації на решті ступенів перевищує значення , яке досягається при регулярному навантаженні з тим же напрацюванням і амплітудою напруження. Рівняння Нейбера та діаграми деформування після перевантаженого ступеня мають вигляд

, (16)

,

де и - амплітудні локальні напруження і деформація на ступені з максимальною амплітудою номінального напруження ;

с - параметр циклічного деформування матеріалу після перевантаження.

Співвідношення для розрахунку довговічності при програмному навантаженні має вигляд

, (17)

де - кількість блоків навантаження до зруйнування;

к - кількість ступенів у блоці навантаження;

n1 - число циклів навантаження на ступені;

- розсіяна енергія на і-му ступені.

Виконано аналіз впливу градієнтів напружень на розрахункові значення довговічності зразків із заповненим та навантаженим отворами. Виявлено, що врахування градієнтів при визначенні довговічності дає краще узгодження з експериментом. На рис. 4 наведено функції розподілу логарифмів відношення розрахункових та експериментальних значень довговічностей заповненого та навантаженого отворів.

1. Загальний розрахунок МСЕ ділянки конструкції, визначення зусиль за кріпильними елементами.

2. Локальний розрахунок МСЕ, визначення максимальних і мінімальних пружних зведених напружень на контурі заповненого та навантаженого отворів.

3. Визначення пружнопластичного напружено-деформованого стану на контурі отвору з використанням залежності Нейбера і формування локальних циклів напружень і деформацій згідно з програмою навантаження.

4. Обчислення градієнтів напружень.

5. Розрахунок довговічності.

Експериментальну перевірку пропонованої методики проведено на зразках із заповненим та навантаженим отворами в умовах регулярного та програмного одновісного навантаження. Зразки із заповненими отворами випробувано при регулярному віднульовому, симетричному та асиметричному циклах зовнішнього навантаження, з навантаженим отвором - при віднульовому навантаженні. На рис. 5,а,б,в подано експериментальні та розрахункові криві утомленості зразків із заповненим отвором, на рис. 6,а - зразків із навантаженим отвором. Розрахунок довговічності проведено за залежністю (14).

Здійснено також експериментальні дослідження довговічності при блочному навантаженні. На рис. 6,б показано експериментальні та розрахункові криві утомленості зразків з навантаженим отвором. Розрахунок довговічності проведено за залежністю (17). Відмічено задовільне узгодження результатів розрахунків та експериментів.

У четвертому розділі подано результати застосування опрацьованої методики для розрахунку довговічності з,єднань елементів конструкції крила літака Ту - 160.

У процесі проведення утомних випробувань літака в ЦАДІ виявлено зруйнування в нижній панелі відбирної частини крила в зоні радіусного переходу під рейку закрилка і по другій нервюрі. Схеми ділянок конструкції наведено на рис. 7,а,б. Панель виготовлена із сплаву В95nчТЗ.

Розрахунок загального напруженого стану ділянок конструкцій проведено з урахуванням піддатливостей зв,язків. Відпрацювання розрахункових схем ділянок конструкції здійснено на основі зіставлення з даними тензометрії, виконаної в процесі випробувань.

Розрахунки локального напружено-деформованого стану проведено з граничними умовами та силами в кріпильних елементах, знайденими із загального розрахунку МСЕ.

Результати розрахунків залежності числа типових польотів до виникнення тріщини згідно з програмою випробувань від коефіцієнта концентрації пружних напружень подано на рис. 8. Розрахунок виконано за 50%-ною вірогідністю руйнування від утомленості.

Таким чином, результати, подані в даному розділі, свідчать про ефективність застосування опрацьованої методики розрахунку довговічності напружених елементів конструкцій. Використання цієї методики дозволяє прогнозувати можливі зруйнування, швидко й ефективно здійснювати аналіз варіантів ремонту, що зменшує простої під час випробувань і здешевлює самі випробування.

Висновки

1. Проведено дослідження пружного та пружнопластичного напружено-деформованого стану на контурі заповненого та навантаженого отворів методом скінченних елементів, виконано аналіз застосовності наближених залежностей для розрахунку локальних пружнопластичних напружень і деформацій. Установлено задовільне узгодження результатів розрахунків МСЕ в пружнопластичній постановці за залежністю Нейбера.

2. Виконано аналіз застосовності відомих гіпотез міцності для визначення локальних пружних зведених напружень при довісному напруженому стані в місці зародження тріщини від утомленості, вибрано гіпотезу максимальних нормальних деформацій.

3. Розроблено алгоритми формування локальних циклів напружень і деформацій на контурі заповненого та навантаженого отворів в умовах циклічного навантаження.

4. Створено методику врахування градієнтів пружнопластичних напружень при розрахунку довговічності з,єднань.

5. Опрацьовано методику, розрахунку довговічності болтових і заклепочних з,єднань за локальним напружено-деформованим станом.

6. Проведено експериментальну перевірку методики в умовах регулярного та програмного видів навантажень. Виявлено задовільне узгодження результатів розрахунків та експериментів.

7. Виконано розрахунки довговічності силових елементів крила літака в умовах програмного навантаження при втомних випробуваннях. Запропоновано рекомендації стосовано способів ремонту конструкції.

Основні результати дисертаційної роботи знайшли відбиття в таких публікаціях

1. Кошелев Н.В., Гонтаренко А.П. К вопросу рационального проектирования плоских панелей // Прочность конструкций летательных аппаратов / Сб. науч. трудов. - Харьков, 1990. - С.17-19.

2. Методика проектирования доработок и ремонтов на заданную долговечность при проведении натурных испытаний авиационной техники // Доклад на 4-й Всесоюзной научной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов". - Харьков, 1991.

3. Гонтаренко А.П. Методика расчета долговечности элементов конструкций с контактной передачей нагрузки // Доклад на международной научно-технической конференции "Совершенствование турбоустановок методами математического моделирования и физического эксперимента". - Змиев, 1994.

4. Кошелев Н.В., Зайцев М.Д., Гонтаренко А.П. // Авторское свидетельство №1618104 СССР от 1.09.90 “Способ испытания элементов конструкций летательных аппаратов” / УДК 629.7.018.4 (088.8), кл. G 01, М 5/00, ДСП.

5. Гонтаренко А.П. Выбор зависимости для определения приведенных локальных напряжений на контуре отверстия в условиях неоднородного поля номинальных напряжений // Авиационно-космическая техника и технология / Тр. Харьк. авиац. ин-та за 1997 г. - Харьков, 1998. - С.23-27.

6. Фомичев П.А., Гонтаренко А.П. Определение локальных упругопластических деформаций на контуре заполненного и нагруженного отверстий // Авиационно-космическая техника и технология / Сб. науч. трудов. - Харьков, 1998. - C.29-33.

7. Гонтаренко А.П. Численное исследование упругопластических градиентов напряжений на контуре заполненного и нагруженного отверстий // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. трудов.-Вып.16, Харьков, 1999. - C.103-107.

Размещено на Allbest.ru

...