Метод визначення втомного пошкодження обшивки фюзеляжу при ресурсних випробуваннях літака з використанням фрактальних моделей деформаційного рельєфу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

УДК 629.735.015.4.024: 620.179.1 (042.3)

Метод визначення втомного пошкодження обшивки фюзеляжу при ресурсних випробуваннях літака з використанням фрактальних моделей деформаційного рельєфу

Спеціальність 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Маслак Тетяна Петрівна

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі конструкції літальних апаратів Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Карускевич Михайло Віталійович,

Національний авіаційний університет, м. Київ,

доцент кафедри конструкції літальних апаратів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Астанін В'ячеслав Валентинович,

Національний авіаційний університет, м. Київ,

завідувач кафедри механіки

кандидат технічних наук, доцент

Василевський Євген Тимофійович,

Державне підприємство «АНТОНОВ», м. Київ.

начальник конструкторського відділу

Захист відбудеться 10 червня 2010 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.06. при Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, ауд. 1.002.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ, пр. Космонавта Комарова, 1

Автореферат розісланий “29” квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.062.06. кандидат технічних наук О.Ю. Корчук

оптичний регресійний фрактальний

АННОТАЦИЯ

Маслак Т.П. Метод определения усталостного повреждения обшивки фюзеляжа при ресурсных испытаниях самолета с использованием фрактальных моделей деформационного рельефа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 - проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. - Национальный авиационный университет, г. Киев, 2010.

Диссертация посвящена разработке метода определения накопленного усталостного повреждения алюминиевого сплава Д16АТ по фрактальным моделям деформационного рельефа. Деформационный рельеф формируется в результате циклического нагружения, его параметры монотонно изменяются и поэтому он может рассматриваться как индикатор деформационного повреждения.

Характерные признаки деформационного рельефа можно наблюдать на поверхности ряда металлов методами оптической микроскопии. Одним из материалов, на поверхности которого в процессе циклического нагружения формируется деформационный рельеф, является алюминий.

Новый метод может быть использован для диагностики плакированных алюминием конструкционных сплавов.

Метод определения усталостного повреждения, позволяющий прогнозировать остаточный ресурс авиационных конструкций, основывается на экспериментальном исследовании оптических изображений деформационного рельефа вблизи концентраторов напряжений, доказанной возможности его количественной оценки с применением аппарата фрактальной геометрии, использовании регрессионных моделей эволюции параметров деформационного рельефа в процессе циклического нагружения.

Деформационный рельеф исследовался на различных масштабных уровнях с использованием методов оптической микроскопии, электронной сканирующей микроскопии, электронной трансмиссионной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, методов фрактальной геометрии, механических испытаний при различных режимах циклического нагружения, регрессионного и корреляционного анализов результатов испытаний.

Доказано, что деформационный рельеф поликристаллического алюминия соответствует всем признакам стохастического нерегулярного фрактала.

Разработана методика определения фрактальных размерностей методом box-counting.

Исследовалась эволюция фрактальных размерностей в процессе циклического нагружения. Сравнение точности прогноза остаточной долговечности при использовании ряда видов фрактальных размерностей показало, что применение размерности, которая определяется из отношения периметра кластеров рельефа к их площади, является наиболее целесообразным.

Проведено исследование эволюции выбранных параметров деформационного рельефа при различных режимах циклического нагружения. Доказана их чувствительность к максимальному напряжению цикла нагружения и асимметрии цикла. Установлена инвариантность процесса развития поверхностных дефектных структур - экструзий и интрузий по отношению к знаку нагружения при фиксированных остальных характеристиках цикла.

Полученны регрессионные модели эволюции параметров деформационного рельефа, положенные в основу метода оценки усталостного повреждения.

Проведен сравнительный анализ результатов прогноза остаточного ресурса по фрактальным моделям деформационного рельефа и по известной модели предельногого состояния в условиях асимметричного нагружения, который показал, что новый метод обеспечивает высокую точность прогноза остаточного количества циклов нагружения.

Эффективность нового метода проверена при испытаниях конструктивных элементов, моделирующих фрагменты реальной конструкции фюзеляжа современного самолета.

Метод оценки накопленного усталостного повреждения позволяет определять места потенциального разрушения авиационных конструкций при проведении натурных испытаний и прогнозировать остаточный ресурс элементов конструкций, изготовленных из плакированных алюминиевых сплавов.

Ключевые слова: обшивка фюзеляжа, алюминиевый сплав, плакирующий слой, дефрмационный рельеф, фрактальная размерность, усталостное повреждение, остаточный ресурс.

АНОТАЦІЯ

Маслак Т.П. Метод визначення втомного пошкодження обшивки фюзеляжу при ресурсних випробуваннях літака з використанням фрактальних моделей деформаційного рельєфу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. - Національний авіаційний університет, м. Київ, 2010.

Дисертація присвячена розробці методу визначення накопиченого втомного пошкодження алюмінієвого сплаву Д16АТ по фрактальних моделях деформаційного рельєфу.

Метод визначення втомного пошкодження базується на експериментальному дослідженні оптичних зображень деформаційного рельєфу поверхні поблизу концентраторів напружень, доведеній можливості його кількісної оцінки з використанням апарату фрактальної геометрії, застосуванні регресійних моделей еволюції параметрів деформаційного рельєфу в процесі циклічного навантажування.

Проведено дослідження еволюції обраних параметрів деформаційного рельєфу при різних режимах циклічного навантажування. Отримано регресійні моделі еволюції параметрів деформаційного рельєфу, які покладено в основу методу оцінки втомного пошкодження.

Ефективність нового методу перевірена при випробуваннях конструктивних елементів, які моделюють фрагменти реальної конструкції фюзеляжу сучасного літака.

Метод оцінки накопиченого втомного пошкодження дозволяє визначати місця потенційного руйнування авіаційних конструкцій при проведенні натурних випробувань і прогнозувати залишковий ресурс елементів конструкцій, виготовлених з плакованих алюмінієвих сплавів.

Ключові слова: обшивка фюзеляжа, алюмінієвий сплав, плакуючий шар, деформаційний рельєф, фрактальна розмірність, втомне пошкодження, залишковий ресурс.

ABSTRACT

Maslak T.P. The method of the assessment of the fuselage skin fatigue damage under the fatigue life testing of the aircraft with the application of the deformation relief fractal models. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.07.02 - design, manufacturing, and testing of aircraft. - National aviation university, Kyiv, 2010.

The thesis is devoted to the development of the method of the accumulated fatigue damage assessment for the aluminium alloy D16AT by the fractal models of the deformation relief.

The fatigue damage assessment method is based on the experimental investigation of the surface deformation relief optical images near the stress concentrators, as well as by the proved possibility of its quantitative assessment with the fractal geometry approaches, and by the application of the regression models of the deformation relief parameters evolution under the cycling loading.

The investigation of the determined deformation relief parameter evolution under different regimes of cyclical loading has been carried out. The regression models of the deformation relief parameters are obtained. The models are the base for the method of fatigue damage assessment.

The efficiency of the new method has been checked by the testing of the structural components, which simulate the parts of real modern airplane fuselage structure.

The accumulated fatigue damage assessment method allows to determine places of the potential fracture of aircraft structures under full-scale testing and to predict residual fatigue life of design of clad aluminium alloys components.

Key words: fuselage skin, aluminium alloy, clad layer, deformation relief, fractal dimension, fatigue damage, residual fatigue life.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Необхідною складовою процесу створення авіаційної техніки є втомні випробування матеріалів, конструктивних елементів, натурні ресурсні випробування конструкцій. Натурні випробування - етап, який потребує значних матеріальних затрат, є тривалим і відповідальним. Натурні випробування дозволяють визначити місця потенційного втомного руйнування конструкцій, обґрунтувати їх ресурс. Визначення зон формування втомних тріщин на ранніх стадіях пошкодження сприяє скороченню тривалості випробувань і підвищенню надійності авіаційної техніки.

Одним з інструментальних методів діагностики втомного пошкодження авіаційних конструкцій, виготовлених з плакованих алюмінієвих сплавів є неруйнівний комп'ютеризований оптичний метод, який базується на визначенні параметру пошкодження деформаційного рельєфу поверхні. Деформаційний рельєф формується на поверхні плакуючого шару сплаву при циклічному навантажуванні. Його кількісний параметр визначається з відношення площі поверхні з ознаками мікропластичної деформації в певній зоні оптичного контролю до загальної площі зазначеної зони. Контроль стану поверхні виконується поблизу концентраторів напружень, зокрема отворів під клепку. Особливість використання деформаційного рельєфу як показника накопиченого пошкодження полягає в тому, що він формується вже після кількох циклів навантажування і розвивається до появи втомної тріщини. Це забезпечує можливість діагностики стану і прогнозування залишкового ресурсу елементів конструкцій на ранній стадії деформаційного пошкодження. У той же час, раніше запропонований параметр пошкодження не є повною кількісною характеристикою оптичних зображень деформаційного рельєфу.

Останнім часом для кількісного опису багатьох нерегулярних структур природного походження ефективно застосовується фрактальна розмірність - розмірність, що може приймати дробові значення. Для опису деформаційного рельєфу поверхні конструкційних плакованих алюмінієвих сплавів, який формується у процесі циклічного навантажування, такий підхід до теперішнього часу не використовувався. Запровадження нового параметру (фрактальної розмірності), який характеризує форму кластерів дефектних структур може суттєво підвищити точність визначення втомного пошкодження.

У зв'язку з цим, є актуальною розробка фрактальних моделей поверхневих деформаційних структур при визначенні накопиченого втомного пошкодження авіаційних конструкцій.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота проведена на кафедрі конструкції літальних апаратів Аерокосмічного інституту Національного авіаційного університету в рамках держбюджетної науково-дослідної теми № 385-ДБ07 «Розробка методів діагностики пошкоджуваності та оцінки залишкового ресурсу елементів авіаційних конструкцій з використанням нанотехнологій» (№ держ. реєстрації 0107U002665).

Мета роботи: розробити метод визначення накопиченого втомного пошкодження обшивки фюзеляжу, виготовленої з плакованого алюмінієвого сплаву по параметрах деформаційного рельєфу поверхні з застосуванням його фрактальних моделей.

Задачі дослідження:

1. Обґрунтувати можливість застосування методів фрактальної геометрії при виконанні моніторингу втомного пошкодження плакованого алюмінієвого сплаву Д16АТ шляхом дослідження деформаційного рельєфу на мікро-, мезо-, та макрорівнях.

2. Розробити методику автоматизованого визначення фрактальних розмірностей деформаційного рельєфу по зображеннях поверхні, отриманих засобами оптичної мікроскопії.

3. Визначити вплив режимів навантажування на розвиток деформаційного рельєфу: вплив рівня максимального напруження циклу навантажування, вплив характеристик асиметрії циклу навантажування.

4. Визначити особливості впливу знаку навантажування на розвиток деформаційного рельєфу.

5. Отримати регресійні моделі накопичення втомного пошкодження, які дозволяють прогнозувати критичний стан елементів авіаційних конструкцій по параметрах деформаційного рельєфу;

6. Розробити метод визначення накопиченого втомного пошкодження плакованих конструкційних алюмінієвих сплавів по параметрах рельєфу поверхні з використанням апарату фрактальної геометрії і перевірити його адекватність при втомних випробуваннях фрагменту конструкції сучасного цивільного літака.

Об'єкт дослідження - процес накопичення втомного пошкодження в плакуючому шарі алюмінієвого сплаву Д16АТ.

Предмет дослідження - еволюція кількісних параметрів деформаційного рельєфу плакуючого шару конструкційного алюмінієвого сплаву при циклічному навантажуванні.

Методи досліджень: втомні випробування зразків конструкційних матеріалів і конструктивних елементів; методи оптичної, електронної сканувальної та електронної просвічуючої мікроскопії; рентгеноструктурний аналіз; автоматизоване обчислення параметрів деформаційного рельєфу по його цифровим зображенням; методи фрактальної геометрії; регресійний та кореляційний аналіз експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше розроблено метод визначення втомного пошкодження обшивки фюзеляжу з використанням нового параметру - фрактальної розмірності, яка кількісно описує форму кластерів деформаційного рельєфу.

2. Вперше доведено, що деформаційний рельєф, який формується на поверхні плакуючого шару алюмінієвого сплаву Д16АТ в результаті дії циклічного навантажування, є нерегулярним стохастичним фракталом. Для оцінки накопиченого втомного пошкодження доцільним є застосування фрактальної розмірності, яка визначається з відношення периметра кластерів деформаційного рельєфу до їх площі.

3. Показано, що обрані параметри деформаційного рельєфу (параметр пошкодження та фрактальна розмірність) монотонно змінюються при циклічному навантажуванні, є чутливими до рівня максимального напруження циклу навантажування і характеристик асиметрії. Інтенсивність розвитку деформаційного рельєфу на інкубаційній стадії втоми є інваріантною по відношенню до знаку циклу навантажування.

4. Одержано регресійні моделі еволюції кількісних параметрів деформаційного рельєфу в процесі навантажування, які дозволяють враховувати вплив режимів навантажування на процес накопичення втомного пошкодження сплаву Д16АТ.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що:

1. Розроблено новий метод визначення втомного пошкодження плакованих алюмінієвих сплавів по параметрах деформаційного рельєфу, який може бути використаний: при проведенні натурних випробувань фюзеляжу літака; при лабораторних втомних випробуваннях елементів авіаційних конструкцій; у навчальному процесі за спеціальностями, які передбачають вивчення проблем проектування і випробування літальних апаратів.

2. Метод визначення втомного пошкодження плакованих алюмінієвих сплавів застосовано при виконанні досліджень втоми на Севастопольському авіаційному підприємстві Міністерства Оборони України, що підтверджено відповідним актом впровадження.

3. На основі запропонованого методу розроблено і впроваджено лабораторну роботу «Застосування фрактальних моделей деформаційного рельєфу при визначенні накопиченого втомного пошкодження плакованих алюмінієвих сплавів» для студентів спеціальності 8.100101 «Літаки та вертольоти».

Особистий внесок здобувача полягає у безпосередній участі у постановці задач, розв'язаних у дисертації, у самостійному виконанні теоретичної та експериментальної частин роботи, а також інтерпретації отриманих результатів.

В дослідженнях, представлених у публікаціях зі співавторами, здобувачем особисто виконано:

- втомні випробування з моніторингом еволюції кількісних параметрів деформаційного рельєфу при циклічному навантажуванні [1-3, 5, 6, 8-10, 13];

- аналіз літературних джерел для визначення напружень, які виникають в елементах конструкції літака під дією циклічного навантажування, моніторинг кількісних параметрів деформаційного рельєфу [4, 7];

- мікроскопічні дослідження зображень дефектних структур деформаційного рельєфу, обґрунтування фрактальності деформаційного рельєфу, який формується на поверхні полікристалічного алюмінію під дією циклічного навантажування [3, 5, 6, 8-10, 13];

- розробка методики визначення фрактальної розмірності кластерів деформаційного рельєфу, експериментальні дослідження, моніторинг і аналіз еволюції деформаційного рельєфу [3, 5, 6, 13];

- визначення можливості застосування фрактальної розмірності для аналізу дефектної структури поверхні алюмінієвих сплавів [11, 12].

З робіт, які опубліковані у співавторстві, у дисертації використані тільки ті результати, які одержані здобувачем особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, викладені в дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на конференціях: Другий, Третій конгреси «Aviation in the XXI century «Safety in aviation» (м. Київ), 2005, 2008рр.; V та VІ Міжнародні конференції студентів та молодих вчених «Політ», (м. Київ), 2005, 2006 рр.; VIII, IX Міжнародні науково-технічні конференції «Авіа-2007» та «Авіа-2009» (м. Київ) 2007, 2009 рр.; XIII Науково-технічна конференція «Електромагнітні та акустичні методи неруйнівного контролю матеріалів та виробів «ЛЕОТЕСТ 2008» (с. Славське Львівської обл.), 2008 р.; XIII Міжнародний конгрес двигунобудівників (с. Рибаче АР Крим), 2008 р.; 17 Европейска конференція по руйнуванню «Multilevel Approach to Fracture of Materials, Components and Structures» (Брно, Чеська республіка), 2008 р.; Міжнародна конференція «Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи його діагностування і прогнозування» (м. Тернопіль), 2009 р.; Третя міжнародна конференція «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (м. Москва), 2009 р.

У цілому робота доповідалась на науково-технічному семінарі Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «Харьківський авіаційний інститут» (м. Харьків, 19.02.2010 р.) та на розширеному засіданні кафедри конструкції літальних апаратів НАУ (11.03.2010 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено в 13 публікаціях, 9 з яких - статті, опубліковані в фахових виданнях, а також в Патенті України на корисну модель № 29683 „Спосіб прогнозування залишкової довговічності елементів авіаційних конструкцій по насиченості і фрактальній розмірності деформаційного рельєфу”.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 161 найменування і додатку. Загальний обсяг дисертації становить 166 сторінки, у тому числі основного тексту дисертації 139 сторінки. Робота містить 90 рисунків і 23 таблиці.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертації, сформульовані мета й основні задачі дослідження, показано наукову новизну та практичне значення результатів дослідження. Наведено відомості про публікації, апробацію та впровадження результатів роботи.

Перший розділ містить аналіз методів визначення ресурсу авіаційних конструкцій, результати попередніх досліджень деформаційного рельєфу, який формується в результаті циклічного навантажування, дані про вплив параметрів циклу навантажування на процес накопичення пошкодження, аналіз можливостей фрактальної геометрії в задачах матеріалознавства.

Показано, що при відсутності точних математичних моделей розрахунку ресурсу конструкції необхідними залишаються втомні випробування літаків з використанням методів неруйнівного контролю. Найбільш тривалими є ресурсні випробування обшивки фюзеляжу, в яких моделюються умови циклічного навантажування надлишковим тиском в герметичних відсіках конструкції.

Особливістю конструкційних матеріалів, які застосовуються для виготовлення обшивки фюзеляжу літака є наявність плакуючого шару - шару алюмінію, який відноситься до металів, на поверхні яких в процесі циклічного навантажування формується і розвивається деформаційний рельєф. Складові деформаційного рельєфу - екструзії, інтрузії, стійки смуги ковзання. Еволюція деформаційного рельєфу в процесі циклічного навантажування дозволяє розглядати його в якості індикатора накопиченого деформаційного пошкодження. Самоорганізаційний характер деформаційного рельєфу вказує на можливість застосування методів фрактальної геометрії для його аналізу і кількісного опису.

Комп'ютеризований оптичний контроль стану поверхні плакуючого шару, який базується на аналізі деформаційного рельєфу поверхні є одним із перспективних методів оцінки втомного пошкодження алюмінієвих сплавів, які використовуються для виготовлення обшивки фюзеляжу.

Точність прогнозу критичного стану при застосуванні оптичного контролю може бути забезпечена шляхом застосування сучасних методів аналізу деформаційного рельєфу, які дозволяють кількісно оцінити не тільки інтенсивність рельєфу, але і форму його кластерів, яка змінюється в процесі циклічного навантажування.

В результаті проведеного аналізу визначені мета та основні задачі дослідження.

Другий розділ присвячений методам і методикам дослідження деформаційного рельєфу поверхні, які були застосовані в представленій роботі.

Виходячи з мети та задач дослідження матеріалом для досліджень було обрано алюмінієвий сплав Д16АТ. Цей сплав має плакуючий шар з чистого алюмінію для захисту від корозії, на якому в процесі втоми формується деформаційний рельєф.

Досліджувались компактні зразки в умовах циклічного консольного згину і типові зразки в умовах циклічного осьового розтягу.

Компактні зразки розміром 150 х 10 х 1,0 мм з концентратором напружень у вигляді отвору діаметром 1,0 мм дозволили виявити основні закономірності еволюції деформаційного рельєфу при різних режимах навантажування. Випробування проводились на спеціально розробленій машині. Типові зразки розміром 300 х 80 х 1,2 мм з отвором діаметром 4,0 мм випробовувались в умовах осьового розтягу на стандартній машині МУП-20. На заключному етапі дослідження новий метод оцінки накопиченого втомного пошкодження було апробовано і на конструктивному елементі, що моделює фрагмент обшивки літака Ан-140.

Обрані методи і методики дозволили дослідити деформаційний рельєф на різних структурних рівнях. На макро- та мезорівнях проводилось дослідження поверхневого шару за допомогою оптичного мікроскопу ММР-4 (збільшення до 500 разів) та сканувального електронного мікроскопу SEM-515.

Оптична мікроскопія застосовувалася для моніторингу параметрів деформаційного рельєфу, сканувальна - для визначення особливостей структурних утворень при стиску і розтягу.

Дослідження деформаційного рельєфу на мікрорівні виконувалось за допомогою електронного трансмісійного мікроскопу JEM-200 СХ. Просвічуюча мікроскопія дозволила дослідити дислокаційну структуру поверхневого шару.

Фрактальний аналіз оптичних зображень деформаційного рельєфу виконувався за допомогою спеціально розробленого програмного забезпечення, яке дозволило визначати фрактальні розмірності кластерів деформаційного рельєфу методом box-counting. Основні етапи програмного забезпечення: перетворення цифрового зображення поверхні в монохромне; виділення окремих кластерів деформаційного рельєфу; визначення контурів кластерів деформаційного рельєфу; накладання сітки чарунок на контури кластерів, або на їх зображення в цілому; побудова логарифмічної залежності кількості чарунок N(д), необхідних для покриття контурів (площі) кластерів від їх розмірів д.

Фрактальна розмірність D визначається з співвідношення:

Кути нахилу графіків lnNp=f(ln1/д); lnNs=f(ln1/д) до вісі абсцис визначають фрактальні розмірності по периметру Dp і по площі Ds, де Np(д), Ns(д) - кількість чарунок, що накривають периметр кластера та площу відповідно.

Рентгенографічне дослідження зміни тонкої кристалічної структури зразків алюмінієвого сплаву Д16АТ у процесі циклічного навантажування проведено на модифікованому комп'ютеризованому дифрактометрі ДРОН-2 в монохроматичному мідному випромінюванні при довжині хвилі л=1,537 Е, напруженні 25 кВ, величині струму 18 мА. Рентгенографічний аналіз проведено для порівняння рівня мікронапружень, які виникають на поверхні плакуючого шару під дією напружень розтягу та стиску.

Режими випробувань обирались з урахуванням умов навантажування літака в процесі ресурсних випробувань і при експлуатації.

Третій розділ присвячений доказу фрактальності деформаційного рельєфу на різних масштабних рівнях, обґрунтуванню нового кількісного параметру втомного пошкодження.

Деформаційний рельєф, який досліджується у роботі - об'ємна структура, що утворюється і розвивається під дією циклічного навантажування на поверхні плакуючого шару алюмінієвого конструкційного сплаву Д16АТ.

Як видно з фотографій деформаційного рельєфу, отриманих за допомогою оптичного металографічного (рис. 1, а) і сканувального електронного мікро-скопів (рис. 1, б), кластери рельєфу, які являють собою результат формування екструзій та інтрузій, мають нерегулярний характер, що не дозволяє описати їх форму методами традиційної геометрії.

Рис. 1 Зображення поверхні деформаційного рельєфу, отримані за допомогою: а - оптичного мікроскопу (х 350); б - сканувального електронного мікроскопу (х 2000)

За характером формування деформаційний рельєф є самоорганізованою нерегулярною структурою, що дає підстави віднести його до природних фракталів. Для природних фракталів існує масштабне обмеження на їх існування, тобто максимальний та мінімальний розмір, при якому вони відповідають критеріям фрактальності, в тому числі мають постійне значення дробової розмірності. В ряді сучасних наукових робіт була доведена можливість використання фрактальних ознак природних об'єктів та процесів для їх дослідження. Еволюція стану таких об'єктів на різних етапах їх розвитку визначається еволюцією фрактальної розмірності.

Фрактальна структура виявилась притаманною багатьом фізичним явищам, у тому числі і процесам пластичної деформації. В представленій роботі цей феномен досліджувався при накопиченні втомного пошкодження в плакуючому шарі алюмінієвого сплаву.

Фрактальність структуроутворення деформаційного рельєфу виявляється на різних масштабних рівнях: на макро- та мезорівні - при оптичних дослідженнях кластерів рельєфу; на мікрорівні - при дослідженні його дислокаційної структури.

Розглянуто ефективність застосування ряду фрактальних розмірностей деформаційного рельєфу: фрактальної розмірності контурів кластерів Dp, фрактальної розмірності площі Ds і фрактальної розмірності, яка визначається з відношення периметру до площі Dp/s. Фрактальна розмірність Dp/s, яка визначається з відношення периметру до площі, дорівнює подвійному коефіцієнту нахилу апроксимованої кривої lnNp(д)=f(lnNp(д)). Отримані високі значення квадратів коефіцієнтів кореляції (більше 0,98) при апроксимації кривої залежності кількості чарунок від їх розмірів вказують на правомірність припущення про фрактальність поверхневих дефектних структур, які формуються при циклічному навантажуванні.

Фрактальні розмірності кластерів деформаційного рельєфу, визначені по периметру кластерів і по їх площі, а також фрактальна розмірність, яка визначалась з відношення периметра до площі знаходяться в діапазоні між одиницею і двома і перевищують топологічну розмірність лінії.

Застосування фрактальної розмірності кластерів деформаційного рельєфу надає можливість визначати не тільки насиченість поверхні ознаками мікропластичної деформації, але і кількісно описувати форму поверхневих дефектних структур.

У результаті електронно-мікроскопічного дослідження, виконаного на трансмісійному мікроскопі JEM-200 СХ при прискорюючій напрузі 200 кV було визначено дислокаційні структури, які утворюються поблизу вільної поверхні плакуючого шару при циклічному деформуванні. Зображення отримані при збільшенні 7300-15000 разів.

Виявлена особливість внутрішньої структури поверхневого шару в зоні формування деформаційного рельєфу. Вона полягає в наявності одночасно спектру дислокаційних структур: хаотичних розподілень дислокацій, смугових утворень, протяжних дислокаційних скупчень, клубково-коміркових структур.

Для перевірки фрактальності дислокаційних структур поверхневого шару, також, як і при аналізі морфології поверхні плакованого сплаву Д16АТ застосовано метод “box-counting”. Визначена фрактальна розмірність хаотичного розподілення дислокацій (рис. 2) в середині смугових структур і у внутрішньому об'ємі зерна.

Рис. 2 Хаотичне розподілення дислокацій (x 15000): а - в середині смугових структур; б - у внутрішньому об'ємі зерна

Отже, методами оптичної і електронної мікроскопії доведена фрактальність деформаційного рельєфу на мікро-, мезо- і макрорівні.

Для визначення найбільш значущих параметрів деформаційного рельєфу, які можуть бути застосовані для оцінки накопиченого пошкодження і прогнозування залишкового ресурсу проведені втомні випробування.

В результаті випробувань компактних зразків в умовах консольного згину при віднульовому циклі з уmax=173,2 МПа отримані дані, представлені в координатах N,%= f(D), N,%=f(DP), N,%=f(DS), N,%=f(DP/S) (рис. 3, 4), де N,% - відношення поточного значення циклів навантажування до руйнуючого числа циклів, в процентах; D - запропонований раніше параметр пошкодження, який визначає насиченість поверхні ознаками мікропластичної деформації; Dp, Ds, Dp/s - фрактальні розмірності.

Рис. 3 Еволюція параметру пошкодження D (а) та фрактальної розмірності Dp (б) у відносних координатах в процесі циклічного навантажування

Рис. 4 Еволюція фрактальної розмірності Ds (а) та фрактальної розмірності Dp/s (б) у відносних координатах в процесі циклічного навантажування

Враховуючи наявність кореляції між кількістю циклів навантажування і вищенаведеними параметрами деформаційного рельєфу, розглянуто можливість застосування множинних регресійних моделей для оцінки вичерпання ресурсу. Розглянуто зв'язок залишкової кількості циклів навантажування Nзал,% з параметрами D, Dp, Ds, Dp/s.

Результати регресійного і кореляційного аналізів представлено в табл. 1. Обробка експериментальних даних проведена із застосуванням програми Statgraphics Plus 5-0.

Таблиця 1 Оцінка ефективності застосування параметрів деформаційного рельєфу в моделях прогнозування залишкового ресурсу

Залежність	Модель	R2
Nзал,%=f(Dp/s)	Nзал,%=-17,901+90,0103 Dp/s	37,04
Nзал,%=f(D, Dp)	Nзал,%=176,597-92,3604 D-64,5619 Dp	69,31
Nзал,%=f(D, Dp/s)	Nзал,%=180,346-109,588 D-56,6685 Dp/s	77,41

Як видно з наведених даних, застосування моделі Nзал,%=180,346-109,588D-56,6685Dp/s, яка базується на значеннях параметру пошкодження D і фрактальної розмірності Dp/s, забезпечує найбільше значення коефіцієнту детермінації. Ті ж самі параметри виявилися найбільш значущими при випробуваннях в умовах осьового розтягу. Параметри деформаційного рельєфу D і Dp/s обрані для оцінки накопиченого втомного пошкодження конструкційного сплаву Д16АТ.

Аналіз залежностей обраних параметрів деформаційного рельєфу від кількості циклів навантажування, виявляє стадійність процесу еволюції деформаційного рельєфу. На рис. 5 показано лінійні ділянки еволюції D і Dp/s та їх межі.

Рис. 5 Стадійність еволюції параметру пошкодження D (а) та фрактальної розмірності Dp/s (б)

Еволюція параметру пошкодження D визначається монотонним збільшенням площі кластерів деформаційного рельєфу в процесі циклічного навантажування. Еволюція фрактальної розмірності Dp/s відображає зміну як площі кластерів так і їх форми, при цьому злиття кластерів деформаційного рельєфу призводить до зменшення відношення периметру кластерів до їх площі.

У четвертому розділі представлено результати втомних випробувань і відповідні регресійні моделі, на яких базується новий метод оцінки накопиченого втомного пошкодження.

Експериментальне дослідження еволюції параметру пошкодження D та фрактальної розмірності Dp/s при різних режимах циклічного навантажування дало можливість відстежити процеси розвитку деформаційного рельєфу при розтягуючих і стискаючих напруженнях, кількісно оцінити чутливість процесу еволюції деформаційного рельєфу плакованого сплаву Д16АТ до рівня максимального напруження циклу, порівняти процеси розвитку рельєфу в умовах симетричного та віднульового циклів; визначити вплив статичної складової циклу навантажування.

Порівняння особливостей процесу розвитку деформаційного рельєфу під дією стискаючих і розтягуючих напружень при віднульовому циклі навантажування показало, що еволюція обраних параметрів деформаційного рельєфу не залежить від знаку діючих напружень (рис. 6).

Рис. 6 Еволюція параметру пошкодження D (а) та фрактальної розмірності Dp/s (б) при розтягуючих (1) та стискаючих (2) напруженнях, уmax=173,2 МПа

Зроблений висновок знайшов підтвердження і при асиметричному циклічному навантажуванні.

Висновок про незалежність процесу формування і розвитку деформаційного рельєфу від знаку навантажування знайшло підтвердження при рентгеноструктурних і електронно-мікроскопічних дослідженнях поверхневого шару.

В результаті рентгеноструктурного дослідження було визначено характеристики напруженого стану - мікронапруження другого роду в поверхневих шарах, де діяли стискаючі та розтягуючі напруження.

Показником мікронапружень (мікровикривлень) у поверхневому шарі є ширина інтерференційних ліній (табл. 2) на рентгенограмах. Було досліджено зразки без концентратору напружень після напрацюваннь: 400000 циклів (зразок № 1), 745000 циклів (зразок № 2), 1000000 циклів (зразок № 3). Максимальні напруження розтягу дорівнювали максимальним напруженням стиску і складали в зоні аналізу 158,2 МПа.

Таблиця 2 Ширина інтерференційних ліній

	Сторона, де діяли напруження розтягу, рад·10-3	Сторона, де діяли напруження стиску, рад·10-3
№ зразка	В111	В222	В200	В400	В111	В222	В200	В400
1	5,8	8,7	6,6	6,8	6,2	9,4	6,4	7,3
2	7,4	12,0	7,3	8,9	6,3	1,0	6,8	7,8
3	5,9	8,5	7,1	10,2	5,7	9,6	7,3	9,6
Еталон	5,7	7,7	6,3	6,8	5,7	7,7	6,3	6,8

Як видно з таблиці 2 еволюція ширини інтерференційних ліній 111 та 222, 200 та 400 на сторонах, де діють розтягуючі та стискаючі напруження, в процесі циклічного напрацювання не виявляє стійкої тенденції, яка б пов'язувала знак напружень і приріст мікронапружень.

Оптичні зображення деформаційного рельєфу є проекціями екструзій і інтрузій на поверхню. Використання сканувальної мікроскопії дозволило виконати як якісну, так і кількісну оцінку поверхневих деформаційних структур - екструзій та інтрузій, які формуються і розвиваються при циклічному навантажуванні та порівняти деформаційний рельєф, який формується при стискаючих і розтягуючих напруженнях (рис. 7).

Порівняльний аналіз параметрів рельєфу поверхні при розтягу та стиску, які були визначені методом сканувальної електронної мікроскопії, показав: висота виступів (екструзій) при розтягу hер та при стиску hес становить ~ 1…5 мкм; величина вдавлювань (інтрузій) при розтягу hір та стиску hіс становить ~ 1…4 мкм.

Рис. 7 Фрагменти поверхні, де діяли напруження стиску

Сканувальна мікроскопія. Збільшення 2500 разів

Результати електронно-мікроскопічного дослідження поверхонь, деформаційний рельєф на яких формувався в умовах дії стискаючих і розтягуючих напружень, вказують на відсутність суттєвих морфологічних розбіжностей. Зазначені результати відповідають висновкам, які зроблені на основі порівняльного аналізу оптичних зображень рельєфу, даним про еволюцію обраних параметрів пошкодження, а також даним рентгеноструктурного аналізу поверхневого шару.

Відповідно до переліку основних задач дослідження було визначено вплив максимального напруження циклу (рис. 8) на розвиток деформаційного рельєфу при віднульовому циклі навантажування.



Рис. 8 Еволюція параметру пошкодження D (а) та фрактальної розмірності Dp/s (б) при R=0: 1- уmax= 234,5 МПа; 2 - уmax= 173,2 МПа; 3 - уmax= 147,0 МПа

Швидкість зміни параметрів деформаційного рельєфу на першій стадії його розвитку суттєво залежить від максимального напруження циклу навантажування.

Це визначає і тривалість першої стадії розвитку рельєфу, яка є найбільш інформативною при оцінці накопиченого пошкодження і прогнозуванні залишкового ресурсу.

Проведено порівняння процесів розвитку деформаційного рельєфу при симетричному і віднульовому циклах навантажування і фіксованих амплітудах циклу: уа=117,3 МПа та уа=86,6 МПа.

Аналіз отриманих експериментальних даних вказує на те, що при рівних амплітудних значеннях напруження пульсуючий цикл навантажування є більш пошкоджуючим, ніж симетричний.

Таким чином, визначаючим фактором при зазначених режимах навантажування є максимальне напруження циклу навантажування.

Цей висновок підтверджується і порівнянням даних про еволюцію параметрів деформаційного рельєфу, отриманих при випробуваннях з різним значенням амплітудного напруження: уа=117,3 МПа та уа=86,6 МПа при симетричному циклі навантажування (рис. 9).

Отже, порівняння результатів випробувань при симетричному та віднульовому циклів навантажування і фіксованих значеннях амплітудного напруження, вказує на те, що пульсуючий цикл призводить до більш швидкого насичення деформаційного рельєфу ознаками мікропластичної деформації.

Рис. 9 Еволюція параметру пошкодження D (а) та фрактальної розмірності Dp/s (б) при симетричному циклі навантажування з амплітудними напруженнями: 1 - уа=117,3 МПа; 2 - уа=86,6 МПа

Одним із раніше не досліджених факторів впливу на розвиток деформаційного рельєфу є статична складова циклу. Статична складова в проведених експериментах визначалась коефіцієнтами асиметрії: R=0,3; R=0,42; R=0,5; R=0,6; R=0,8 і знаходилась в діапазоні від 0 до 202,2 МПа, при цьому уmax=const=234,5 МПа.

При навантажуванні з коефіцієнтом асиметрії R=0,8 зразки не руйнувались на базі випробувань 2х106. Крім того, на поверхні таких зразків протягом всього періоду навантажування не було зафіксовано ознак мікропластичної деформації.

У зв'язку з цим, для визначення впливу статичної складової циклу на накопичення втомного пошкодження на інкубаційній стадії втоми було обрано режими навантажування, для яких коефіцієнти асиметрії знаходились в діапазоні від 0 до 0,6, а циклічне напрацювання до руйнування зразків не перевищувало 2х106 циклів. Для визначення впливу статичної складової було обрано ті ж самі ключові параметри: параметр пошкодження D і фрактальна розмірність Dp/s. Еволюція зазначених параметрів у процесі циклічного навантажування показана на графіках (рис. 10).

Рис. 10 Еволюція параметру пошкодження D (а) та фрактальної розмірності Dp/s (б) в умовах асиметричного навантажування: 1 - при коефіцієнті асиметрії R=0; 2 - при R=0,3; 3 - при R=0,42; 4 - при R=0,5; 5 - при R=0,6

Як видно з наведених графіків, зменшення значення коефіцієнту асиметрії і відповідне збільшення амплітудного значення напруження при фіксованому значенні максимального напруження циклу навантажування прискорює процес накопичення втомного пошкодження на початковій стадії втоми.

Отримані залежності параметрів деформаційного рельєфу від кількості циклів навантажування дають можливість побудувати множинні регресійні моделі для оцінки залишкового ресурсу.

Результати прогнозування залишкової довговічності в умовах асиметричного циклічного навантажування по параметрах деформаційного рельєфу порівняно з даними, отриманими на основі відомої моделі прогнозування по діаграмах граничного стану. Показано, що при обраному режимі навантажування новий метод має похибку 13%, в той час як похибка при прогнозуванні залишкового ресурсу по моделях граничного стану становила 38%.

В результаті проведеного циклу досліджень розроблено новий метод визначення втомного пошкодження плакованих алюмінієвих сплавів.

Основними складовими методу є: визначення зон контролю і пружно-деформованого стану обшивки при проведенні натурних випробувань; проведення лабораторних втомних випробувань зразків з моніторингом деформаційного рельєфу; отримання даних про еволюцію кількісних параметрів деформаційного рельєфу та побудова множинних регресійних моделей, застосування отриманих моделей для прогнозу ресурсу реальних конструкцій.

Апробація методу проведена при випробуваннях фрагментів обшивки фюзеляжу сучасного літака.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В дисертації наведено нове вирішення актуальної наукової задачі оцінки втомного пошкодження алюмінієвого сплаву Д16АТ, який використовується для виготовлення обшивки фюзеляжу літака. Зазначена задача вирішена шляхом розробки нового інструментального неруйнівного методу, який базується на комп'ютеризованому оптичному контролі стану поверхні обшивки і використанні регресійних рівнянь еволюції параметрів деформаційного рельєфу в процесі циклічного навантажування.

Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. Деформаційний рельєф, який формується на поверхні плакуючого шару алюмінієвого сплаву Д16АТ має ознаки фрактальності. Фрактальність деформаційного рельєфу підтверджується оптичними і електронно- мікроскопічними аналізами поверхні та внутрішньої структури поверхневого шару, можливістю достовірного визначення фрактальної розмірності його кластерів.

2. Обрані параметри деформаційного рельєфу, зокрема параметр пошкодження, який визначає насиченість поверхні ознаками мікропластичної деформації і фрактальна розмірність, яка характеризує форму кластерів рельєфу, є чутливими до рівня максимального напруження циклу навантажування і характеристик асиметрії циклу навантажування.

4. Процес розвитку деформаційного рельєфу є інваріантним по відношенню до знаку циклу навантажування. Це визначає можливість використання загальних моделей для стиску і розтягу для опису деформаційного рельєфу на інкубаційній стадії втоми.

5. Отримані в результаті експериментального дослідження регресійні моделі еволюції параметрів деформаційного рельєфу дозволяють кількісно описати процес накопичення втомного пошкодження на інкубаційній стадії втоми і прогнозувати залишкову кількість циклів навантажування.

6. Розроблено метод визначення накопиченого втомного пошкодження плакованих алюмінієвих сплавів, який враховує фрактальну природу деформаційного рельєфу. Метод може бути застосований при моніторингу втомного пошкодження авіаційних конструкцій при проведенні ресурсних випробувань. Адекватність методу підтверджена результатами втомних випробувань зразків конструкційного алюмінієвого сплаву Д16АТ і фрагментів обшивки сучасного регіонального літака цивільної авіації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Карускевич М. В. Утома клеєзварних та заклепочних з'єднань, оброблених антикорозійними захисними сполуками / М. В. Карускевич, О. М. Карускевич, Т. П. Маслак // Вісник НАУ. - 2005. - № 1. - С. 97-100.

2. Karuskevich О. М. Deformation roughness under cyclic and static loads / O. M. Karuskevich, T. P. Maslak, Zhan Zhao Hui // Вісник НАУ. - 2005. - № 2. - С. 68-71.

3. Фрактальність деформаційного рельєфу полікристалічного алюмінію / М. В. Карускевич, О. Ю. Корчук, Т. П. Маслак [та ін.] // Вісник НАУ. - 2006. - №2. - С. 78-81.

4. Karuskevich M. V. Sensitivity of single-crystal foil fatigue indicators / M. V. Karuskevich, H. V. Hayday, T. P. Maslak // Вісник НАУ. - 2006. - № 3. - С. 53-56.

5. Маслак Т. П. Регресійні моделі еволюції параметрів деформаційного рельєфу під час циклічного навантажування / Т. П. Маслак // Вісник НАУ. - 2008. - № 1 (34). - С. 89-92.

6. Неруйнівний контроль втомного пошкодження алюмінієвих конструкційних сплавів / М.В. Карускевич, А.М. Овсянкін, Т.П. Маслак [та ін] // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. - 2008. - Вип. 13. - С. 266-271.

7. Структурна пошкоджуваність і руйнування зразків-свідків втомного пошкодження / М. В. Карускевич, О. Ю. Корчук, Т. П. Маслак [та ін.] // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - № 9 (56). - С. 110-114.

8. Оценка накопленного усталостного повреждения по насыщенности и фрактальной размерности деформационного рельефа / М. В. Карускевич, Е. Ю. Корчук, Т. П. Маслак [и др.] // Проблемы прочности - 2008. - № 6 (396). - С.128-135.

9. Оцінка довговічності плакованих алюмінієвих сплавів при асиметричному циклічному навантажуванні / М. В. Карускевич, А. Д. Погребняк, Т. П. Маслак [та ін.] // Вісник НАУ. - 2009. - № 2 (39). - С. 52 - 56.

10. Пат. 29683 Україна, МПК G 01 N 3/32. Спосіб прогнозування залишкової довговічності елементів авіаційної конструкцій по насиченості і фрактальній розмірності деформаційного рельєфу / Ігнатович С. Р., Карускевич М. В., Маслак Т. П., Пантелєєв В. М., Якушенко О. С.; заявник та патентовласник Національний авіаційний університет. - № u200709909; заявл. 04.09.07; опубл. 25.01.08, Бюл. № 2.

11. Эволюция деформационного рельефа плакированного слоя алюминиевого сплава Д16АТ при усталости: праці Міжнар. наук.-техн. конф. [«Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи його діагностування та прогнозування»], (Тернопіль, 21-24 вересня 2009 р.) / НАН України, Ін-т проблем міцності ім. Г.С. Писаренка, М-во освіти і науки України, Терноп. держ. техн. ун-т. ім. Івана Пулюя. - Т.: Терноп. держ. техн. ун-т, 2009. - 368 с.

12. Игнатович С.Р. Деформационный рельеф поверхности как показатель усталостной поврежденности авиационных сплавов на основе алюминия / C. Р. Игнатович, М. В. Карускевич, Т. П. Маслак [и др] // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: междунар. конф., 12-15 окт. 2009 г.: тезисы докл. - М., 2009. - Том 1. - С. 53-54.

13. Maslak T.P. Computer Aided Optical Method for Aircraft's Components Fatigue Life Estimation / S. R. Ignatovich, M. V. Karuskevich, T. P. Maslak // Multilevel approach to fracture of materials, components and structures: 17-th European conference on fracture, 2-5 Sept., 2008: abstract - Brno, Czech Republic, 2008. - P.324.

Размещено на Allbest.ru

...