Конструктивно-технологічні методи підвищення втомної довговічності болтових з’єднань титанових елементів конструкції літака з урахуванням фретинг-корозії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Конструктивно-технологічні методи підвищення втомної довговічності болтових з'єднань титанових елементів конструкції літака з урахуванням фретинг-корозії

Спеціальність 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Клименко В'ячеслав Миколайович

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського «Харьківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Гребеніков Олександр Григорович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», м. Харків, завідувач кафедри проектування літаків і вертольотів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Буланов Віталій Володимирович, Національний автомобільно-дорожній університет, м. Харків, професор кафедри автомобілів;

доктор технічних наук, професор Малков Ігор Владиславович, Східно-український національний університет ім. Володимира Даля, м. Луганськ, завідувач кафедри.

Захист відбудеться « 19 » 12 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул.Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова 17.

Автореферат розісланий «12» 11 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М. Застела

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Авіаційна промисловість є одним із пріоритетних напрямків розвитку промисловості України. Для створення нової конкурентоздатності авіаційної техніки необхідно вести нові наукові розробки, створювати методи проектування та технології виробництва більш досконалі, ніж у конкурентів. В сучасному літакобудуванні збільшення ресурсу літаків, що проектуються до 80000 годин польоту, необхідно досягати з урахуванням зниження маси конструкції планера. Застосування титанових сплавів у конструкції планера дозволяє успішно вирішувати задачі проектування високоресурсних з'єднань силових елементів планера мінімальної маси. За характеристиками питомої втомної міцності титанові сплави перевершують інші конструкційні сплави.

Проектування високоресурсних конструкцій літаків мінімальної маси з урахуванням фретинг-корозії передбачає вибір раціональних геометричних параметрів елементів зрізних болтових з'єднань та технології їх збирання, які задовольняють вимоги статичної міцності, регламентованої втомної довговічності та технологічності.

Наукових праць, які містять конструктивно-технологічні методи підвищення втомної довговічності зрізних болтових з'єднань титанових елементів конструкції літака і враховують особливості їхньої роботи при змінних навантаженнях, дуже мало.

Розроблення нових конструктивно-технологічних методів підвищення втомної довговічності зрізних болтових з'єднань титанових елементів конструкції літаків з урахуванням фретинг-корозії є дуже актуальним, а опрацювання методів, що дозволяють визначити вплив конструктивно-технологічних параметрів титанових з'єднань на їхню втомну довговічність і масові характеристики, має велике значення при проектуванні високоресурсних конструкцій літаків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано за державною комплексною програмою розвитку авіаційної промисловості України до 2010 р., затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України №1665-25 від 12.01.01.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в забезпеченні регламентованої втомної довговічності титанових зрізних болтових з'єднань елементів конструкції літаків з урахуванням фретинг-корозії.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- розробити розрахунково-експериментальний метод визначення впливу фретинг-корозії на втомну довговічність конструктивних елементів з'єднань з титанових сплавів;

- розробити аналітичний метод визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів елементів однозрізного болтового з'єднання з радіальним пружнопластичним натягом на характеристики їхньої контактної взаємодії;

- експериментально визначити вплив конструктивно-технологічних параметрів на втомну довговічність елементів зрізних болтових з'єднань з титанового сплаву ВТ6;

- розробити конструктивно-технологічні методи підвищення втомної довговічності зрізних болтових з'єднань елементів конструкції літаків з титанового сплаву ВТ6 з урахуванням фретинг-корозії.

Об'єкт дослідження - проектування високоресурсних зрізних болтових з'єднаннь титанових елементів конструкції літака.

Предмет дослідження - конструктивно-технологічні методи підвищення втомної довговічності зрізних болтових з'єднань титанових елементів конструкції літака з урахуванням фретинг-корозії.

Методи дослідження. При розробленні розрахунково-експериментальних методів визначення впливу фретинг-корозії на втомну довговічність елементів болтових з'єднань використовано методи опору матеріалів, скінченних елементів, реалізований в системі ANSYS, статистичні методи обробки результатів втомних досліджень.

При розробленні аналітичного методу визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів елементів однозрізного болтового з'єднання з пружнопластичним натягом на характеристики контактної взаємодії використано методи опору матеріалів, теорій пружності та пластичності. Використання розрахунково-експериментальних методів визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів на втомну довговічність дало змогу визначити ефективність методів підвищення втомної довговічності зрізних болтових з'єднань титанових елементів конструкцій літаків.

Достовірність розрахункових методів перевірена при статичних і втомних дослідженнях типових моделей з'єднань титанових елементів конструкції літака.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше розроблено розрахунково-експериментальні залежності для визначення й прогнозування втомної довговічності гладкої смуги і елементів зрізних з'єднань з титанового сплаву ВТ6 з урахуванням фретинг-корозії;

- удосконалено математичну модель однозрізного болтового з'єднання з радіальним пружнопластичним натягом, яка дозволяє визначити вплив конструктивно-технологічних параметрів на розподіл контактного тиску в зоні сполучення його елементів;

- запропоновано комбінований метод підвищення втомної довговічності титанових елементів зрізних болтових з'єднань, який включає зміцнення контактної поверхні деталей з'єднання в зоні дії фретинг-корозії місцевим пластичним деформуванням та установлення вдосконалених болтів з радіальним пружнопластичним натягом і затяжкою; обґрунтовано відповідні технологічні режими.

Практичне значення отриманих результатів:

- експериментальні дослідження показали, що фретинг-корозія титанових деталей залежить від матеріалу шайб, величини контактного тиску та зменшує втомну міцність титанової смуги в 2-3 рази порівняно з втомною міцністю титанового сплава ВТ6 без фретинг-корозії, при цьому зменшення втомної довговічності гладких титанових конструктивних елементів, спричинене дією фретинг-корозії, становить 40 - 80 разів при максимальних напруженнях віднульового циклу 400 МПа, 400 - 750 разів при 300 МПа, 1500 - 3000 разів при 250 МПа порівняно з довговічністю гладкої смуги без фретинг-корозії;

- аналітично розроблена модель однозрізного болтового з'єднання дозволяє визначити розподіл погонного нормального контактного навантаження по довжині болта і величину контактного тиску під гайкою та головкою болта і застосувати одержані розрахунково-експериментальні залежності для визначення втомної довговічності конструктивних елементів з'єднання в регулярній зоні, де руйнування відбувається від дії фретинг-корозії;

- застосування нормованої осьової затяжки підвищує втомну довговічність двозрізних з'єднань титанових елементів конструкції літака в 20 разів при максимальних напруженнях віднульового циклу 200 МПа і в 35 разів при 140 МПа порівняно зі втомною довговічностю з'єднань без затяжки болтів;

- застосування радіального натягу (0,5 - 1,5%)d в однозрізному з'єднанні зменшує величину коефіцієнтів нерівномірності погонного нормального контактного навантаження по довжині болта в 2-3 рази; втомна довговічність однозрізного болтового з'єднання при установленні болтів з радіальним натягом і нормованою затяжкою збільшується в 1,5 - 1,67 раза порівняно з довговічністю з'єднань тільки з затяжкою болтів;

- найбільш ефективним методом підвищення втомної довговічності двозрізних титанових з'єднань є зміцнення контактної поверхні місцевим пластичним деформуванням [тиск зміцнення рзм=(0,95 - 0,99)в], радіального натягу - (1,5 - 1,9%)d та нормованої осьової затяжки, що збільшує довговічність в 2,3 раза порівняно з довговічністю з'єднань з радіальним натягом і нормованою затяжкою;

- застосування на практиці запропонованих конструктивно-технологічних методів підвищення втомної довговічності та методу визначення її для зрізних болтових з'єднань дає можливість проектувати зрізні болтові з'єднання регламентованої втомної довговічності з урахуванням фретинг-корозії.

За результатами досліджень разом з працівниками ХАІ, ЦАГІ і АНТК ім. О.К. Антонова розроблено, опубліковано та впроваджено в практику проектування керівні технічні матеріали (КТМ) «Конструктивно-технологические способы повышения усталостной долговечности поперечных срезных болтовых соединений самолетных конструкций», видані в ЦАГІ.

Результати дослідження в провадженні в навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» (Акт впровадження від 18.01.2008) і в практику проектування з'єднань, узлів і агрегатів планера літака на Авіаційному науково-технічному комплексі ім. О.К. Антонова (Акт впровадження від 31.01.2008).

Особистий внесок здобувача. Всі результати дисертаційної роботи отримано особисто автором або за допомогою наукового керівника. Автор провів втомні випробування і отримав аналітичні залежності для розрахунку втомної довговічності гладкої титанової смуги в умовах фретинг-корозії [1, 2, 8]; запропонував і розробив метод визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів однозрізного болтового з'єднання на розподіл контактних навантажень в зоні сполучення його елементів [3]; експериментально дослідив вплив осьової затяжки, радіального натягу, зміцнення контактної поверхні на втомну довговічність смуг з отворами та зрізних болтових з'єднань з титанового сплаву ВТ6 в умовах фретинг-корозії [4, 5]; визначив конструктивно-технологічні межі для установлення болтів з радіальним натягом в зрізних болтових з'єднаннях титанових елементів конструкції літака [9,10,11]; розробив метод визначення впливу радіального натягу на піддатливість і розподіл зусиль між болтами однозрізного титанового болтового з'єднання [6]; розробив і реалізував методи підвищення втомної довговічності зрізних болтових з'єднань з титанового сплаву ВТ6 з урахуванням фретинг-корозії [5, 7].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації неодноразово доповідались і обговорювались: на конференціях літакобудівного факультету в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» (1977 - 2008 рр); науково-технічних конференціях з витривалості й ресурсу в ЦАГІ (м. Жуковський, 1979 - 1989 рр.); На Міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки», м. Харків (2005 - 2008 рр.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 22 статтях, з них 11 статей - в наукових виданнях, включених до переліку фахових видань України, в яких можуть публікуватися результати дисертаційних робіт на здобуття наукового ступеня кандидата наук (Постанова президії ВАК України від 9 червня 1999 р. №1-05/07). Видано одне найменування КТМ.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, трьох додатків і списку використаних джерел, викладена на 256 сторінках друкованого тексту, в т. ч. основний текст на 201 сторінці, який містить в собі 19 таблиць і 124 ілюстрації. Перелік використаної літератури має 203 найменування на 24 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, а також подано інформацію що до апробації й обсягу роботи.

У першому розділі розглянуто особливості фізико-механічних властивостей титанових сплавів, проведено аналіз методів проектування та конструктивно-технологічних методів підвищення втомної довговічності зрізних болтових з'єднань елементів конструкції літака з урахуванням фретинг-корозії.

Підкреслено вплив на втомну довговічність різних конструктивно-технологічних методів виготовлення зрізних болтових з'єднань з титанових сплавів: розподіл зон інтенсивної фретинг-корозії та геометричної концентрації напружень; застосування захисного покриття; використання спеціального оброблення поверхні деталей, що підвищує зносостійкість та втомну довговічність; застосування затяжки і радіального натягу при установленні болтів в отвори з'єднуваних деталей.

Проведений аналіз показав, що для забезпечення регламентованої втомної довговічності зрізних болтових з'єднань титанових елементів конструкції літака необхідно розробити конструктивно-технологічні методи підвищення втомної довговічності з урахуванням фретинг-корозії. Для вирішення цієї проблеми в дисертації сформульовано мету і завдання досліджень.

У другому розділі розроблено розрахунково-експериментальний метод визначення впливу фретинг-корозії на втомну довговічність титанових конструктивних елементів зі сплаву ВТ6. Вплив фретинг-корозії запропоновано визначати величиною зменшення граничних максимальних напружень в зразках гладкої смуги в умовах фретинг-корозії () порівняно з граничними максимальними напруженнями в зразках без фретинг-корозії () при однаковій кількості циклів навантаження і коефіцієнті асиметрії цикла навантаження r=0:

= - (1)

Проведено експериментальні дослідження втомної довговічності зразків гладкої смуги в умовах фретинг-корозії (рис. 1 і 2) і за їхніми результатами побудовано криві втоми .

За результатами досліджень втомної довговічності зразків гладкої смуги без фретинг-корозії одержано рівняння кривої втоми сплаву ВТ6 =1993 N-0,101 та формулу для перерахунку амплітуди напружень циклу навантаження з коефіцієнтом асиметрії 0 r 0,6 в еквівалентні за пошкоджувальним впливом максимальні напруження віднульового циклу:

= (2)

При дослідженні втомних характеристик сплаву ВТ6 в умовах фретинг-корозії проведено кореляційний та регресивний аналіз результатів багатофакторного експерименту і визначено вплив величин контактного тиску к, амплітуди відносних переміщень в контактній парі гладкої смуги і шайби, а також матеріалу і покриття шайби на втомну довговічність гладкої смуги.

Завдяки цьому одержано на підставі формули (1) разрахунково-експериментальну залежність для визначення та прогнозування втомної довговічності гладкої смуги зі сплаву ВТ6 в умовах фретинг-корозії:

(3)

де N - втомна довговічність; КП - коефіцієнт, що визначає вплив матеріалу шайби і її покриття на втомну довговічність (КП = 1; 0,92; 1,14 відповідно для пар ВТ6+30ХГСА; ВТ6+Д16АТ; ВТ6+ВТ3-1).

Методом скінченних елементів, який реалізовано в системі CAD/CAM/CAE ANSYS, досліджено характеристики локального НДС і контактної взаємодії при розтягуванні зразків титанової смуги з притиснутими до неї шайбами і визначено ймовірні зони втомного руйнування в умовах фретинг-корозії. Встановлено вплив величини контактного тиску на зміну характеристик локального НДС в смузі для всіх розглянутих в роботі поєднань матеріалів. Підвищення величини контактного тиску від 50 до 150 МПа приводить до зростання максимальних головних розтягуючих напружень в 1,04 - 1,12 раза, деформацій - в 1,04 - 1.1 раза і питомої енергії деформування еквивалентного віднульового циклу - в 1,15 - 1,35 раза.

Експериментальні дослідження показали, що фретинг-корозія титанових деталей залежить від матеріалу шайб, величини контактного тиску та зменшує втомну міцність титанової смуги в 2-3 рази порівняно зі втомною міцністю титанового сплаву ВТ6 без фретинг-корозії, при цьому зменшення втомної довговічності становить 40 - 80 разів при максимальних напруженнях віднульового циклу 400 МПа, 400 - 750 разів при 300 МПа, 1500 - 3000 разів при 250 МПа. Аналіз результатів проведених експериментів показав, що вплив величини амплітуди відносних переміщень в контактній парі на втомну довговічність незначний, тому в залежностях його не враховано. Дані, наведені в другому розділі, опубліковано в працях [1, 2, 8].

Третій розділ присвячено розробленню методу визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів однозрізного болтового з'єднання на характеристики контактної взаємодії його деталей.

В однозрізному болтовому з'єднанні (рис. 4) ексцентриситет передавання навантаження спричиняє в його елементах напружений стан моментної структури та нерівномірний розподіл погонних сил взаємодії по площі контакта болта зі стінкою отвору.

У загальному випадку болт у зрізному з'єднанні двух деталей може передавати зусилля Р і моменти Мi.

При моделюванні контактної взаємодії пластин і болта в однозрізному з'єднанні пластини подано у вигляді пружних основ. В процесі роботи болт навантажується як балка, що вигинається, через пружну основу нормальним рi(х) і дотичним qi(х) навантаженнями та моментами Моi по площинах контакту гайки і головки болта зі з'єднуваними пластинами. На болт та з'єднувані пластини діє зусилля затяжки болта Q3.

Як доповнення до відомого раніше в запропонованій моделі враховано нормальні рoi та дотичні (сили тертя) qoi навантаження болта, спричинені радіальним натягом, які впливають на характер контактної взаємодії.

Розроблено метод визначення характеристик контактної взаємодії болта зі з'єднуваними пластинами при пружнопластичних натягах з урахуванням можливого відриву болта від стінки отвору при великих зовнішніх навантаженнях, що приводить до контакту болта зі стінкою отвору не по всій довжині кола (01). Метод включає:

- аналіз фізичної взаємодії елементів однозрізного одноболтового з'єднання та виділення основних конструктивно-технологічних факторів, які визначають його втомну довговічність, розроблення розрахункової схеми з'єднання з урахуванням контактної взаємодії та історії навантаження;

- складання диференціального рівняння, що відображає контактну взаємодію болта та пластин однозрізного з'єднання;

- формулювання граничних умов для диференціального рівняння пружної осі болта в зонах з'єднання гайки і головки болта зі з'єднуваними пластинами та пластин між собою;

- інтегрування диференціального рівняння пружної осі болта з урахуванням граничних умов;

- ітераційний пошук розв'язання сформульованої крайової задачі згину пружної осі болта;

- визначення величини контактного тиску в зонах сполучення деталей з'єднання.

Коефіцієнти нерівномірності нормального погонного контактного навантаження [р(х)] по довжині болта визначено за формулою

.

Вплив відношення товщини з'єднуваних пластин до діаметра болта n/d на коефіцієнти нерівномірності погонного навантаження.

При зростанні величини n/d від 0,5 до 3 КI збільшується в межах 1,0 3,8 для болтів зі сталі 30ХГСА (в 2,6 - 2,8 раза) для кожного з розглядуваних діаметрів болтів d =6; 8 ; 10 мм.

Для з'єднань болтом d =8 мм зі сталі 30ХГСА при фіксованій товщині n2 =5 мм збільшення товщини n1 в 4 рази спричиняє збільшення КI від 1,1 до 4,0, а для з'єднань болтом з титанового сплаву ВТ16 КI - від 1,3 до 5,7.

Збільшення величини зусилля затяжки QЗ від 5 до 25 кН зменшує коефіцієнти нерівномірності контактного тиску під головкою болта Гб від 7 до 2,0 - 2,5. Величина г під гайкою для розглядуваних варіантів з'єднань змінюється в межах від 3 до 1.

Застосування радіального натягу зменшує величину коефіцієнтів нерівномірності погонного нормального контактного навантаження до 5 разів.

Дані, наведені в третьому розділі, опубліковано в праці [3].

У четвертому розділі подано результати експериментального дослідження втомної довговічності (рис. 8) та одержано залежності для визначення втомної довговічності смуги із заповненим отвором зі сплаву ВТ6 при установленні в отвір болта (d=10 мм). Характер втомного руйнування елементів з'єднань. Результати втомних випробувань одноболтових (d=10 мм) двозрізних з'єднань наведено на рис. 10. Застосування нормованої осьової затяжки підвищує втомну довговічність двозрізних з'єднань титанових елементів конструкції літака в 20 разів при максимальних напруженнях віднульового циклу 200 МПа і в 35 разів при 140 МПа зі втомною довговічністю з'єднань без радіального натягу і затяжки болтів. Радіальний натяг (1,5 - 1,9 %) d без затяжки болтів підвищує втомну довговічність двозрізного з'єднання в 1,2 - 2,0 рази порівняно з довговічністю з'єднання з затяжкою болтів.

Експериментально досліджено технологічні особливості виконання титанових болтових з'єднань з радіальним натягом. Визначено можливості якісного установлення болтів зі сталей 16ХСН, 30ХГСА і титанового сплаву ВТ16 в пакет зі сплаву ВТ6, допустимі величини радіального натягу і вплив матеріалу болта, його покриття та змащення на величину зусиль установлення. Розраховано величини граничних товщин пакетів з'єднуваних деталей для різних величин радіального натягу при застосуванні болтів зі сталі 30ХГСА і титанового сплаву ВТ16.

У п'ятому розділі досліджено застосування конструктивно-технологічних методів для підвищення втомної довговічності зрізних болтових з'єднань титанових елементів конструкції літака з урахуванням фретинг-корозії.

З метою зменшення негативного впливу фретинг-корозії на втомну довговічність двозрізних болтових з'єднань досліджено застосування зміцнення ділянок внутрішньої пластини з'єднання.

Проведені дослідження показали, що найбільш ефективним засобом підвищення втомної довговічності двозрізних з'єднань зі сплаву ВТ6 є поєднане застосування зміцнення поверхні пластичним деформуванням (Рзм=0,95 - 0,99 в), радіального натягу =(1,5 - 1,9 %) d та осьової затяжки болтів до Мз = 20 Нм, що збільшує довговічність в 2,3 раза порівняно з довговічністю з'єднань з радіальним натягом і нормованою затяжкою.

У цьому розділі також досліджено вплив осьової затяжки і радіального натягу на піддатливість одноболтового однозрізного з'єднання (рис. 12).

У з'єднаннях без радіального натягу і затяжки ( = 0, Мз =0) коефіцієнт піддатливості С не залежить від величини зовнішнього навантаження і для розглядуваного з'єднання:

С=5,010-9

Застосування радіального натягу = 1,0% d в одноболтовому з'єднанні (d = 8 мм, n1 = n2 =5 мм) зменшує піддатливість більш ніж у 5 разів при величинах зусилля навантаження Респл < 20 кН. Для діапазону навантажень Р=0…40 кН величина коефіцієнта піддатливості змінюється в межах від 0 до 510-9 для різних варіантів з'єднань. Найбільша залежність коефіцієнта піддатливості від величини зусилля навантаження спостерігається при низьких рівнях навантаження до величин 10…15 кН. Осьова затяжка болта зменшує величину коефіцієнта піддатливості на 15 - 20% порівняно з коефіцієнтом піддатливості з'єднання без затяжки.

Застосування радіального натягу в болтовому з'єднанні зменшує коефіцієнти піддатливості при = 0,5 % d більш ніж у 1,4 раза, = 1,0 % d - у 1,9 раза, = 2,0 % d у - 2,3 раза.

Для прогнозування втомної довговічності багатоболтового з'єднання досліджено розподіл навантаження між рядами болтів.

У з'єднаннях з радіальним натягом завантаження першого болта зростає зі збільшенням величини натягу і досягає для розглядуваного з'єднання величини 0,62.

На підставі проведенних досліджень запропоновоно за заданими характеристиками втомної довговічності в зонах імовірного втомного руйнування - по осі отвору, в місцях зміни геометричних параметрів з'єднання, зонах дії інтенсивної фретинг-корозії - розраховувати величини його геометричних параметрів.

Втомна довговічність зрізного болтового з'єднання Nзбз має бути більшою від довговічності поздовжнього з'єднання обшивки зі стрингером і лонжероном Nпз або дорівнювати їй:

Nзбз Nпз

Для розрахунку втомної довговічності титанових зрізних болтових з'єднань по осі отвору використовується розрахунково-аналітична залежність

. (4)

Значення коефіцієнтів А1, А2 і показників ступеня визначено за результатами втомних випробувань смуг з отвором. Номінальні напруження в перерізі деталі, для якої проводяться розрахунки,- , , - відповідно спричинені дією навантажень, яке передається болтом, що проходить по пластині та від згинального моменту.

Для розрахунку втомної довговічності в зоні фретинг-корозії застосовано розроблену в розділі 2 залежність, в якій враховано характер посадки болтів і вигин з'єднання:

;

к рівнi78 МПа; (5)

;

к рівнi78 МПа

де КХП - коефіцієнт, що враховує вплив радіального натягу; КВ - коефіцієнт, що враховує вплив вигину з'єднання; КХП=0,94 для з'єднань з радіальним натягом і нормованою затяжкою =(1,0 - 1,5%) d; КХП=1,0 для з'єднань без радіального натягу, з нормованою затяжкою болтів; КВ=1,13 - для однозрізних з'єднань; I - коефіцієнт неравномірності контактного тиску під гайкою та головкою болта, який враховує вплив конструктивно-технологічних параметрів з'єднання.

Для однозрізного триболтового з'єднання виконано розрахунок втомної довговічності в зоні найбільш навантаженого ряду болтів за залежностями.

Розрахунок втомної довговічності однозрізного з'єднання за запропонованими в роботі залежностями показав задовільну відповідність результатам досліджень.

титановий корозія болтовий сплав

ВИСНОВКИ

Відповідно до поставленої мети і завдань в дисертації отримано такі результати.

1. Експериментальні дослідження показали, що фретинг-корозія титанових деталей залежить від матеріалу шайб, величини контактного тиску та зменшує втомну міцність титанової полоси в 2-3 раз порівняно зі втомною міцністю титанового сплаву ВТ6 без фретинг-корозії, при цьому зменшення втомної довговічності гладких титанових конструктивних елементів, спричинене дією фретинг-корозії, становить 40 - 80 разів при максимальних напруженнях віднульового циклу 400 МПа, 400 - 750 разів при 300 МПа, 1500 - 3000 разів при 250 МПа порівняно з довговічністю гладкої смуги без фретинг-корозії.

2. Розроблена модель однозрізного болтового з'єднання дозволяє визначити розподіл погонного нормального контактного навантаження по довжині болта і величину контактного тиску під гайкою та головкою болта та застосувати одержані розрахунково-експериментальні залежності для визначення втомної довговічності конструктивних елементів з'єднання в регулярній зоні, де руйнування відбувається від дії фретинг-корозії.

3. Застосування нормованої осьової затяжки підвищує втомну довговічність двозрізних з'єднань титанових елементів конструкції літака в 20 разів при максимальних напруженнях віднульового циклу 200 МПа і в 35 раз при 140 МПа порівняно зі втомною довговічностю з'єднань без затяжки болтів.

4. Застосування радіального натягу (0,5 - 1,5%)d в однозрізному з'єднанні зменшує величину коефіцієнтів нерівномірності погонного нормального контактного навантаження по довжині болта в 2-3 рази; втомна довговічність однозрізного болтового з'єднання при установленні болтів з радіальним натягом та нормованою затяжкою збільшується в 1,5 - 1,67 раза порівняно з довговічністю з'єднань тільки з затяжкою болтів.

5. Найбільш ефективним методом підвищення втомної довговічності двозрізних титанових з'єднань є зміцнення контактної поверхні місцевим пластичним деформуванням [тиск зміцнення рзм=(0,95-0,99)в], радіального натягу - (1,5 - 1,9%)d та нормованої осьової затяжки, що збільшує довговічність в 2,3 раза порівняно з довговічністю з'єднань з радіальним натягом і нормованою затяжкою.

6. Застосування на практиці запропонованих конструктивно-технологічних методів підвищення втомної довговічності та методу визначення її для зрізних болтових з'єднань дає можливість проектувати зрізні болтові з'єднання регламентованої втомної довговічності з урахуванням фретинг-корозії.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гребеников А.Г. Сопротивление усталости титанового сплава ВТ6 /А.Г. Гребеников, В.Н. Клименко // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 42 (3). -Х., 2005. С. 37 - 46.

2. Гребеников А.Г. Методика определения влияния фреттинг-коррозии на усталостную долговечность гладких конструктивных элементов из титанового сплава ВТ6 / А.Г. Гребеников, В.Н. Клименко // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 29. -Х., 2005. - С. 57 - 68.

3. Клименко В.Н. Метод определения влияния конструктивно-технологических параметров односрезного соединения на распределение контактных давлений в зоне сопряжения его элементов / В.Н.Клименко // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 33. -Х., 2006. - С. 178 - 205.

4. Гребеников А.Г. Сопротивление усталости полосы с отверстием из титанового сплава ВТ6 в условиях фреттинг-коррозии / А.Г. Гребеников, В.Н. Клименко // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 30. -Х., 2006. - С. 80 - 89.

5. Гребеников А.Г. Исследование влияния затяжки и радиального натяга болтов, поверхностного упрочнения на выносливость срезных соединений из сплава ВТ6 / А.Г. Гребеников, В.Н. Клименко // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 31. -Х., 2006. - С. 41 - 54.

6. Гребеников А.Г. Анализ влияния осевого и радиального натягов на податливость одноболтового односрезного соединения и распределение усилий между рядами многоболтового соединения из сплава ВТ6 /А.Г. Гребеников, В.Н. Клименко, А.Ю. Ефремов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 32. -Х., 2006. - С. 55 - 64.

7. Проектирование срезных болтовых соединений элементов самолетных конструкций из титанового сплава ВТ6 с учетом усталостной долговечности / А.Г. Гребеников, В.Н. Клименко, А.Ю Єфремов, С.В. Трубаев // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ» - Вып. 34. - Х., 2007. -С. 60 - 70.

8. Гребеников А.Г. Исследование характеристик локального НДС и контактного взаимодействия при растяжении титановой полосы с прижатыми к ней шайбами / А.Г. Гребеников, В.Н. Клименко, С.П. Светличный // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 38., 2008. - С. 63 - 79.

9. Гребеников А.Г. Экспериментальное исследование особенностей установки болтов с радиальным натягом в отверстия в деталях из титанового сплава /А.Г. Гребеников, В.Н. Клименко // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 26. -Х., 2005. - С. 62 - 72.

10. Клименко В.Н. Методика определения усилия, необходимого для установки болтов с радиальным натягом в пакет из титанового сплава /В.Н. Клименко//Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: - сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Вып. 27. -Х., 2005. - С. 78 - 94.

11. Гребеников А.Г. Определение возможности выполнения соединений из титанового сплава ВТ6 в зависимости от диаметра, материала болта, величины радиального натяга и толщины соединяемого пакета /А.Г. Гребеников, В.Н. Клименко // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 28. -Х., 2005. - С. 76 - 84.

Анотація

Клименко В.М. Конструктивно-технологічні методи підвищення втомної довговічності болтових з'єднань титанових елементів конструкції літака з урахуванням фретинг-корозії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 07. 02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків. 2008.

У дисертації опрацьовано конструктивно-технологічні методи підвищення втомної довговічності титанових елементів болтових з'єднань конструкції літака. Експериментально досліджено опір втомлюваності гладкої смуги і визначено вплив матеріалу та захисного покриття шайб, величини контактного тиску та амплітуди відносних переміщень в контактній парі в умовах фретинг-корозії. Сформульовано розрахунково-експериментальні залежності для визначення втомної довговічності гладких конструктивних елементів зі сплаву ВТ6. Досліджено характеристики НДС гладких конструктивних елементів сучасними розрахунковими методами, реалізованими в системі CAD/CAM/CAE ANSYS.

Запропоновано метод і розроблено фізичну та математичну моделі для визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів однозрізного болтового з'єднання на розподіл тиску в зоні контакту болта зі стінкою отвору в пакеті, гайкою і головкою болта.

Експериментально досліджено вплив радіального натягу та затяжки болтів на втомну довговічність смуг з отворами, одно- та двозрізних з'єднань зі сплаву ВТ6. Визначено конструктивно-технологічні межі при виконанні з'єднань з титанового сплаву ВТ6 залежно від діаметра та матеріалу болтів, величини радіального натягу і товщини з'єднуваного пакета.

У роботі встановлено вплив осьової затяжки болтів і радіального натягу на піддатливість і розподіл зусиль між болтами однозрізного багатоболтового з'єднання зі сплаву ВТ6.

Ключові слова: зрізні болтові з'єднання, радіальний натяг, затяжка болтів, контактний тиск, фретинг-корозія, втомна довговічність.

АННОТАЦИЯ

Клименко В.Н. Конструктивно-технологические методы повышения усталостной долговечности болтовых соединений титановых элементов самолетных конструкций с учетом фреттинг-коррозии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 07. 02 - проектирование, производство и испытание летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2008.

Диссертация посвящена разработке конструктивно-технологических методов повышения усталостной долговечности срезных болтовых соединений элементов самолетных конструкций с учетом фреттинг-коррозии. Экспериментально исследовано сопротивление усталости гладкой полосы и определено влияние на усталостную долговечность материала и покрытия шайб, величины контактного давления и относительных перемещений в контактной паре в условиях фреттинг-коррозии. Снижение усталостной долговечности гладких титановых конструктивных элементов, обусловленное фреттинг-коррозией, происходит в 40 - 80 раз при максимальных напряжениях отнулевого цикла 400 МПА, в 400 - 750 раз при 300 МПа, в 1500 - 3000 раз при 250 МПа по сравнению с долговечностью гладких образцов. Усталостная прочность титановой полосы уменьшается в 2-3 раза по сравнению с усталостной прочностью титанового сплава ВТ6 без фреттинг-коррозии. Разработаны расчетно-экспериментальные зависимости для определения усталостной долговечности гладких конструктивных элементов из сплава ВТ6. Исследованы характеристики НДС гладких конструктивных элементов методом конечных элементов, реализованным в системе CAD/CAM/CAE.

Предложен метод и разработаны физическая и математическая модели для определения влияния конструктивно-технологических параметров односрезного болтового соединения на распределение контактных давлений в зоне сопряжения его элементов. Данный метод позволяет применить полученные расчетно-экспериментальные зависимости для определения усталостной долговечности конструктивных элементов соединения в регулярной зоне, где разрушение происходит от действия фреттинг-коррозии. Установлены соотношения геометрических параметров соединения, величины радиального натяга и затяжки болтов, обеспечивающие минимальные значения коэффициентов неравномерности погонной нормальной контактной нагрузки по длине болта и неравномерности контактных давлений под гайкой и головкой болта.

Экспериментально исследовано влияние радиального натяга и затяжки болтов на усталостную долговечность полос с отверстиями, одно - и двухсрезных соединений из сплава ВТ6. Применение нормированной осевой затяжки повышает усталостную долговечность соединений титановых элементов самолетных конструкций в 20 раз при максимальных напряжениях отнулевого цикла 200 МПа и в 35 раз при 140 МПа по сравнению с усталостной долговечностью соединений без затяжки болтов.

Применение радиального натяга (0,5 - 1,5%) d снижает величину коэффициентов неравномерности погонной нормальной контактной нагрузки по длине болта в 2-3 раза и повышает усталостную долговечность односрезного болтового соединения в 1,5 - 2 раза по сравнению с долговечностью соединений только с затяжкой болтов. Определены конструктивно-технологические ограничения при выполнении соединений из титанового сплава ВТ6 в зависимости от диаметра и материала болта, величины радиального натяга и толщины соединяемого пакета. Применение болтов из стали 16ХСН и титанового сплава ВТ16 дает возможность качественно реализовать натяг до 1,0% d, для болтов из стали 30ХГСА - до 1,5% d.

Наиболее эффективным методом повышения усталостной долговечности титановых элементов соединений является применение упрочнения контактной поверхности местным пластическим деформированием, радиального натяга (1,5 - 1,9%) d и нормированной осевой затяжки. Данный метод позволяет увеличить долговечность в 2,3 раза по сравнению с долговечностью соединений с радиальным натягом и нормированной затяжкой.

При выполнении работы установлено влияние осевой затяжки и радиального натяга на податливость и распределение усилий между рядами многоболтового односрезного соединения из сплава ВТ6.

Практическое применение предложенных конструктивно-технологических методов повышения усталостной долговечности и метода определения усталостной долговечности срезных болтовых соединений элементов самолетных конструкций из титанового сплава ВТ6 позволяет проектировать соединения регламентируемой усталостной долговечности с учетом фреттинг-коррозии.

Ключевые слова: срезные болтовые соединения, радиальный натяг, затяжка болтов, контактные давления, фреттинг-коррозия, усталостная долговечность.

ABSTRACT

Klimenko V.N. Structural and technological methods of increase of bolt joints of titanium elements fatigue life for aircraft design taking fretting corrosion into consideration. - Manuscript.

Candidate's thesis on specialty 05. 07. 02 - Design, Manufacture and Test of Flight Vehicles. - National Aerospace University by N.E.Ghukovskiy “Kharkov Aviation Institute”, Kharkov, 2008.

The thesis is devoted to development of structural and technological methods to increase the shear bolt joints fatigue life of aircraft structural elements taking fretting corrosion into consideration. Experimentally the fatigue strength of the smooth band is investigated and effect of washer material and cover on fatigue life, values of contact pressure and relative displacement in a contact pair within conditions of fretting corrosion are determined.

Design and experimental equations for calculation of fatigue life of the smooth structural members made of alloy ВТ6 are developed.

Performances of the mode of deformation of the smooth structural members are investigated by finite element method implemented in the САD/САМ/САЕ system.

The method is offered and physical and mathematical models for definition of effect of structural and technological parameters of a single-shear bolt joint on distribution of contact pressure in a zone of its elements interface are developed.

Experimentally the effect of radial oversize and tightening of bolts on fatigue life of bands with holes, one and double-shear connections of alloy ВТ6 is investigated.

Structural and technological constraints, when making the connections of titanium alloy ВТ6 depending on bolt diameter and material, value of radial oversize and thickness of packet being connected are determined.

During the work the effect of axial tightening and radial oversize on a compliance and distribution of force between rows of multibolt single-shear connection made of alloy ВТ6 is determined.

Keywords: shear bolt joints, radial oversize, bolts tightening, contact pressures, fretting corrosion, fatigue life.

Размещено на Allbest.ur

...