книги / Статическая выносливость элементов авиационных конструкций

Испытания проводились на повторный' пульсирующий изгиб нескольких вариантов (по структурному состоянию поясов и тех­ нологии изготовления) одной балки. Все балки были испытаны по одной схеме на одном стенде. Для предотвращения изгиба в горизонтальной плоскости балка помещалась в направляющих, состоящих из четырех пар шлифованных пластин, между кото' рыми устанавливались четыре хомута, закрепленные болтами

Рис. 121. Схема установки для испытания на повторный изгиб кон­ сольной балки:

/—опорный узел; 2, 12— балки; 3— ролик; 4—хомут; 5—дниамомстр; 6— смлоаозбуднтель; 7, 10— распорки; Л—качалка; 9—пружина

на поясах и снабженные на концах шарикоподшипниками, ка­ тившимися по пластинам.

Общая схема установки приведена на рис. 121. Нагружение балки производилось гидравлическим силовозбудителем. Пор­ шень силовозбудителя при нагрузке двигался в цилиндре и цепью поворачивал качалку, на которой была закреплена вторая цепь, соединенная через динамометр с испытываемой балкой. Для ускорения движения в обратную сторону качалка имела пружи­ ну, которая,.сокращаясь при разгрузке, ускоряла выход масла из цилиндра силовозбудителя. На динамометре была установлена контактная группа, которая замыкала цепь при достижении стрелкой динамометра предельных положений при наибольшей и наименьшей нагрузках. Сигналы от динамометра подавались на пульт, через который производилось управления силовозбу­

121

Так как расклепывание головки заклепки с наружной сторо­ ны пояса с технологической точки зрения оказалось нежела­ тельным, то были испытаны две балки, аналогичные третьей, но с расклепыванием головок стальных заклепок с внутренней сто­ роны пояса. Это должно было несколько снизить выносливость балки по сравнению с выносливостью третьей балки^ из-за уменьшения радиального распора заклепки у наружной, наи­ более напряженной кромки полки.

Указанные две балки были испытаны при нагрузке 0,5ЯраСч и выдержали соответственно 1047 и 1214 циклов (в среднем ИЗО), т. е. в среднем почти в 3 раза больше, чем вторая балка, и на --'20% меньше, чем третья. Характер и место разрушения были такими же, как у второй балки.

Представилась возможность испытать еще одну балку с вы­ сокопрочными поясами, но с дуралюминовыми заклепками, как во второй балке. Но эта балка была изъята из целой конструк­ ции, которая перед этим была испытана однократной статиче­ ской нагрузкой, доведенной до 100% расчетной нагрузки. Так как балка не имела никаких признаков разрушения, то было ре­ шено ее испытать, как и все предыдущие балки, на повторный изгиб при нагрузке 0,5Ррасп. Она выдержала 1220 нагружений, т. е. почти в 3 раза больше, чем вторая балка.

Этот результат представляет практический интерес для уста­ новления правильной методики испытаний на повторные на­ грузки. Нередко делаются попытки проводить испытания на повторные нагрузки не новых конструкций, а уже прошедших статические испытания и даже иногда отремонтированных после них. Такие испытания для получения характеристики статиче­ ской выносливости новой конструкции не пригодны, так как дают результаты, искаженные по сравнению с теми, которые получались бы при испытании новой конструкции.

В табл. 22 дана сводка результатов испытаний всех балок.

124 .

3.НАПРАВЛЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

При изготовлении любого полуфабриката из конструкцион­ ного сплава (листы, профили, трубы и пр.) одной из основных технологических операций является пластическое деформирова­ ние сплава, сопровождаемое перемещением значительных объ­ емов его. При этом структура сплава изменяется в соответствии с направлением этих перемещений. Это является одной из при­ чин анизотропии сплава в полуфабрикате — механические свой-

Рис. 124. Схема вырезки проРис. 125. Схема вырезки продольных дольных и поперечных образ- н поперечных образцов из стальной цов нз массивного прессованпоковки (ЗОХГСНА)

ного профиля

ства его по разным направлениям оказываются различными. Особенно резкое различие может проявляться при исследовании выносливости от нагрузок, действующих в разных направлениях.

Изучение анизотропии сплава в полуфабрикате необходимо потому, что в элементах конструкций, имеющих сложную форму и особенно в элементах массивных (толстостенных), напряжен­ ное состояние часто является двухили трехосным с различным соотношением между компонентами по осям координат. Вы­ брать при этом наиболее выгодное по выносливости направле­ ние практически невозможно. Поэтому выносливость массивных полуфабрикатов приходится определять испытанием образцов, вырезанных из полуфабриката в разных направлениях.

Такое сравнение по показателям статической выносливости было проведено на образцах из сплавов Д-16Т, В95-Т и ЗОХГСНА. Первые два сплава исследовались на образцах, вырезанных вдоль и поперек массивного профиля (рис. 124), а ЗОХГСНА — на образцах, вырезанных вдоль и поперек поковки (рис. 125) в двух вариантах термообработки: один вариант с закалкой в масло, другой — с изотермической.

Результаты испытаний плоских образцов с отверстием на пульсирующее растяжение из сплава Д16-Т приведены на

125

рис, 126 в осях о—N. Как видно из графика, статическая вынос­ ливость образцов, вырезанных поперек профиля, более чем в 3 раза ниже, чемобразцов, вырезанных вдоль профиля.

Результаты исследования сплава В95-Т (рис. 127) показы­ вают, что выносливость поперечных образцов снижается в том же отношении по сравнению с выносливостью продольных об­ разцов. Результаты испытаний сплава ЗОХГСНА приведены на рис. 128 в тех же осях or—N. Снижение выносливости на попе­ речных образцах несколько меньше — оно двукратное для обоих вариантов термической обработки. Необходимо иметь в виду, что стальная болванка кованая, а профиль Д16 и В95 прессованный.

Приведенные результаты испытаний показывают весьма су­ щественное снижение выносливости в поперечном направлении полуфабриката. Это необходимо учитывать при проектировании и расчете на прочность конкретных деталей, располагая полу­ фабрикат в наиболее выгодном направлении по отношению к основному силовому потоку, проходящему по детали в условиях эксплуатации. Когда это не удается сделать, необходимо счи­ таться с понижением прочности сплава в поперечном направ­ лении.

4.КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

На рис. 70 было показано чрезвычайно сильное (раз в 7—8) снижение относительной статической выносливости по числу цик­ лов при наличии отверстия по сравнению с гладкими образцами. Наличие концентраторов напряжений в конструкциях неизбеж­ но, но степень понижения выносливости при этом зависит от типа и характера концентратора и характера того поля напряжений первого рода, в области которого находится концентратор.

Строго говоря, под концентрацией напряжений следует под­ разумевать изменение того поля напряжений, которое было бы при отсутствии концентратора. Предполагается, что наличие кон­ центратора изменяет это поле только вследствие резкого изме­ нения геометрии образца или детали. Поэтому коэффициент кон­ центрации напряжений ак, выражающий степень этой концент­ рации, не зависит от свойств материала, из которого изготовлена деталь. Необходимо только, чтобы напряженность детали не пре­ восходила предела упругости ее материала.

В действительности же любой концентратор напряжений (от­ верстие, резкое изменение размеров, винтовая нарезка, сварной шов и т. п.) не только изменяет геометрию образца или детали, но и вносит влияние новых технологических факторов на состоя­ ние и механические свойства сплава (наклеп, нагрев, изменение химического состава и т. п.). Поэтому характеристика выносли вости сплава при наличии концентратора напряжений выража­ ет влияние не только концентратора как такового, т. е. изменен­ ных геометрических соотношений, но и технологии изготовления концентратора. Иначе говоря, влияние чисто геометрического

126

Рис. 128. Результаты испытания на статическую выносливость продольных и поперечных образ­

цов из сплава ЗОХГСНА при двух вариантах термической обработки:

. чмкачка D масло, вдоль волокон; 2—изотермическая закалка, вдоль воло- 7 У_эакплка в масло, поперек воло­ кон- ./—изотермическая закалка, попе­ рек волокон

127

фактора невозможно определить из сравнительных усталостных испытаний образцов без концентратора и с концентратором на пряжений. Влияние технологических факторов в какой-то мере

войдет в эту оценку.

Эти соображения приводят к выводу об отсутствии одно­ значной связи между величиной коэффициента концентрации на­ пряжений а1; и выносливостью образца или детали: при одной и той же величине ак, но разных сплавах и технологических опе­ рациях для получения концентратора изменения выносливости детали из-за концентрации напряжений будут различными. Это положение практически подтверждается в лабораторных испыта­ ниях очень часто. Например, при испытании повторными на­ грузками стальных плоских образцов с отверстием после терми­ ческой. обработки получаются существенно различные результа­ ты в зависимости от того, обрабатывались ли отверстия после термообработки разверткой или нет. После развертки отверстий разрушающее число циклов значительно возрастает из-за влия­ ния наклепа от развертки, особенно при невысоком значении ко­ эффициента напряженности цикла К.

В дальнейшем под влиянием концентрации напряжений на статическую выносливость понимается влияние совокупности всех факторов, сопровождающих появление концентратора на­ пряжений.

Для изучения влияния величины коэффициента концентрации напряжений на статическую выносливость были испытаны точе­ ные образцы с профилированной проточкой (см. рис. 30 и 31) на симметричный изгиб при вращении. Образцы были изготовлены из сплава Д16-Т с ав = 57 кГ1мм2. Радиус кривизны донышка про­ точки был Q= 0,5; 1,0; 2,5 и 4,0 мм, что соответствовало значени­ ям коэффициента концентрации напряжений соответственно ик=2,6; 2,0; 1,5 и 1,3 при подсчете их по Нейберу [23] для случая глубокой внешней проточки на теле вращения. Номинальные на­ пряжения от изгиба по донышку проточки при испытании до раз­ рушения соответственно имели значения 40, 29, 23 и 17 кГ!мм2. Разрушающие числа циклов при этих напряжениях и радиусе за­ кругления донышка проточки Q=4 м м были равны (индекс при

величина повторного напряжения оПовт): Л740=2Ю0, ЛГ2э= = 16300, ^23=69300 и N|7=585 500 циклов как средние из трех­ четырех испытаний.

Результаты испытаний при всех указанных значениях ак при­ ведены на рис. 129. По оси абсцисс отложены значения коэффи­ циента концентрации а,„ по оси ординат — разрушающее число циклов в процентах от приведенных выше значений N при д= —4 мм. График показывает резкое падение разрушающего чис ла циклов при возрастании величины а,{. Так, например, при а=17 кГ/мм2 разрушающее число циклов нагрузки при ак=2,6 (при этом е=0,5 мм, что практически может еще встретиться) составляет всего 2,5% от числа N при е= 4 мм (ак=1,3). Если

128

Из этих данных видно, что при уменьшении напряжения сг примерно в 2,5 раз относительное разрушающее число циклов уменьшается почти в 10 раз. Одной из причин такого увеличения влияния коэффициента концентрации при уменьшении напря­ жения является, по-видимому, влияние наклепа, образующегося при изготовлении проточки.

5.ФОРМА РАСТЯНУТОГО СТЕРЖНЯ

Чтобы ослабить влияние концентрации напряжений на проч­ ность массивных растянутых элементов конструкции, к которым приклепываются тонкие листовые элементы, прибегают к более сложным формам поперечного сечения. На рис. 130 и 131 с.че-

Рнс. 130. Простая форма сеРис. 131. Форма сечения растянутого чення растянутого пояса пояса балки с отбортовками

балки

матически показаны две формы поперечного сечения растянутой детали. В первой форме заклепочные отверстия просверлены в основном теле сечения, а во второй — в тонкостенных отбортов­ ках. Это конструктивное решение представляет интерес с точки зрения прочности при повторных нагрузках, так как наличие концентратора напряжений сказывается при этом нагружении значительно резче, чем при однократной статической нагрузке.

Для определения сравнительной прочности при повторных

0/ 5

Рис. 132. Форма I образца для пульсирующего растяжения

нагрузках нескольких типовых форм поперечного сечения были проведены эксперименты на образцах, изготовленных из листа сплава Д16-Т толщиной 10 мм с оп-44,8 кГ/мм2, 6= 20%. Об­ разцы вырезались вдоль прокатки. Формы образцов приведены на рис. 132—135. Вариант I (рис. 132) представляет модель кон­

130