книги / Статическая выносливость элементов авиационных конструкций

структивной формы с отверстиями в основном теле стержня. Вариант II (рис. 133) характерен более рациональной формой с тонкими отбортовками по краям основного силового пояса,

предназначенными для сверления отверстий под заклепки. Вари­ ант III (рис. 134) отличается от предыдущего тем, что отбортов­ ки, перерезанные между заклепочными отверстиями, образуют

Рис. 134. Форма III образца для пульсирующего растяжения

изолированные друг от друга зубцы. Вариант IV (рис. 135), сво­ бодный от концентрации напряжений, взят как эталон для срав­ нения.

Рис. 135. Форма IV образца для пульсирующего растяжения

Образцы всех типов были испытаны на однократное растя­ жение до разрушения для определения РтахРезультаты испы­ таний приведены в табл. 23.

131

Отношение площади сечения отбортовки к площади сечения основного пояса составляло 0,2. Интересно отметить, что вари­ анты II и III, имевшие разные площади сечений, по которым про­ исходило разрушение, разрушались при одинаковых нагрузках. Это указывает на значительную концентрацию напряжений в се­ чении варианта II.

Все образцы испытывались на пульсирующее растяжение с частотой около 10 цикл!мин. Непосредственной целью испытаний было определение разрушающего числа циклов нагрузки и места разрушения. Результаты испытаний приведены в табл. 24, по данным которой построены графики рис. 136 в осях P— N с целью сравнения всех испытанных форм при одинаковых абсо­ лютных нагрузках. Напомним, что площадь сечения варианта II на 20% больше площади сечения образцов остальных форм. Каждая точка на кривых рис. 136 есть среднее из результатов испытания не менее трех образцов. Общее число испытанных об­ разцов — 51.

Из табл. 24 и рис. 136 видно что образцы варианта III, не­ смотря на наличие вырезов и уменьшение активной площади поперечного сечения (разрушение здесь всегда происходило между отверстиями по наименьшему сечению), оказались более прочными, чем образцы варианта II. Объясняется это, по-види­ мому, тем, что основной силовой поток в образцах варианта III не проходит через тонкие отбортовки и потому не вызывает та­ кой значительной концентрации напряжений у отверстий, как в образцах варианта II. Целая же полоса свободна от концентра­

132

ции напряжений и поэтому оказывается наиболее прочной из всех рассмотренных вариантов сечений.

Полоса без отбортовок, но с отверстиями, расположенными посредине ширины, оказывается чрезвычайно ослабленной при

78W3

Р и с . 136. К р и в ы е с та т и ч ес к о й в ы н о с л и во с ти в осях Р — N о б р а з ц о в с р а зл и ч н ы м и ф о р м а м и п о п ер е ч ­ н ы х сечен ий

испытании как на статическую прочность, так и особенно на вы­ носливость.

6. х и м и ч е с к и й состав с п л а в а зохгсна

Влияние химического состава на прочность сплава опреде­ ляется в большинстве случаев при однократных статических на­ грузках. Гораздо реже такие определения осуществляются при вибрационных и еще реже при повторных статических нагрузках.

Попытка определить влияние химического состава на проч­ ность при действии повторных статических нагрузок была сдела­ на на образцах из сплава ЗОХГСНА. Для исследования были по­ добраны плавки этой стали с различным содержанием изучае*

мого элемента при прочих равных условиях. Плоские образцы с отверстием были подвергнуты изотермической закалке (890° С и селитровая ванна 250° С) с последующим отпуском до 250° С. Временное сопротивление колебалось в пределах 160— 180 кГ/мм2. Изучалось влияние содержания входящих в состав сплава углерода, кремния, никеля и суммы серы и фосфора на его статическую выносливость.

Результаты испытаний на пульсирующее растяжение с ча­ стотой около 10 цикл!мин приведены на рис. 137—140 в осях а—N. На каждом рисунке даны две кривые статической вынос­ ливости сплава при разных количествах соответствующего эле­ мента в %. Из кривых рис. 137—139 видно, что изменения коли­ чественного содержания в сплаве углерода, кремния и никеля (при постоянном содержании остальных элементов) практически не изменяют его статической выносливости, несколько изменяет­ ся лишь его временное сопротивление. Но колебания в суммар­

134

ном содержании серы и фосфора от 0,043 до 0,099% оказывают заметное влияние, понижая статическую выносливость при повы­ шении суммарного содержания этих элементов в сплаве. Так,

при напряжении а=100 кГ1мм2 снижение по разрушающему числу циклов превышает 40%.

Приведенные данные еще не дают возможности решить во­ прос об оптимальном составе изучаемого сплава, так как необ­ ходимо изучать еще и влияние различных количественных ком­ бинаций этих элементов, но в отношении влияния серы и фосфо­ ра уже достаточно ясна их отрицательная роль при увеличении их суммарного количества.

иия до потери конструкцией несущей способности. Разрушающее число циклов нагрузки, соответствующее этому моменту NK, принимается за количественное выражение выносливости кон­ струкции. Если конструкция при испытании на повторные на­ грузки не доведена до потери несущей способности, то получен­ ное при этом число циклов нагрузки N'K будет выражать израс­

ходованную часть N'KiNK выносливости конструкции. Остаго-

N 'R

щаяся часть выносливости 1----- - может быть использована при

N K

дальнейшем испытании.

Практика эксплуатации самых разнообразных по назначению и конструкции машин, в том числе и летательных аппаратов, показывает, что в эксплуатации подавляющее число ответствен­ ных деталей этих машин испытывает воздействие различных по величине, а часто и по направлению нагрузок. Для одних дета­ лей эти нагрузки чередуются в определенном порядке и очеред­ ности, а для других разнообразные нагрузки хаотично возни­ кают и сменяются по законам случайных явлений. Это создает большие трудности при изучении взаимных влияний и суммар­ ного эффекта таких нагрузок.

При изучении этого явления наметились два основных на­ правления. Одно из них состоит в стремлении изучить влияние спектра нагрузок, действующих на данную конкретную конст­ рукцию, путем испытаний ее на выносливость по программе на­ гружения, возможно ближе подходящей к эксплуатационному спектру нагрузок.

При таком подходе к решению задачи об определении вы­ носливости конструкции под действием эксплуатационного спек­ тра нагрузок экспериментатор находится в весьма затруднитель­ ном положении. Он практически не может осуществить в лабо­ ратории полный спектр эксплуатационных нагрузок вследствие его сложности и невозможности вести испытание чрезмерно дли­ тельное время (например, проверяя срок службы деталей, пред­ назначенных работать в эксплуатации десятки тысяч часов). Поэтому он неизбежно должен упрощать программу нагружения по сравнению с эксплуатационным спектром как по числу сту­ пеней и порядку их чередования, так и по частотам повторения циклов нагрузки. Но обоснованных данных для такого упроще­ ния у него или очень мало, или вовсе нет. Поэтому упрощение производится по интуиции и применительно к наличию местных технических средств для проведения испытаний. Это порождает неуверенность в достоверности результатов эксперимента и нена­ дежность выводов из них.

Другое направление в решении вопросов о влиянии разновид­ ностей спектра нагрузок на выносливость конструкций заклю­ чается в том, что на простейших образцах достаточно подробно изучаются общие закономерности чередования нагрузок разной

137

интенсивности и разных знаков при реализации заранее выбран­ ных простейших программ нагружения, в которых изменяются параметры и исследуется влияние их изменения.

Удачным подбором типа программы нагружения, количества и характера ее параметров можно экспериментально установить те закономерности, которые помогут разобраться и понять, ка­ кие параметры являются главными, какие второстепенными. Анализируя и сопоставляя результаты ряда подобных исследо­ ваний, можно подметить некоторые общие закономерности, даю­ щие возможность упрощать эксплуатационные программы нагру­ жения конструкций с минимальными искажениями результатов

испытания; и оценивать их вынос­ ливость с большей надежностью.

Это второе направление в изу­ чении влияния на статическую выносливость характера про­ граммы нагружения и является в дальнейшем изложении основ­ ным. Поэтому в дальнейшем и из­ лагаются результаты исследова­ ний по простейшим частным слу­ чаям программирования нагру­ жения.

Для экспериментального изу­ чения выносливости при неста­ ционарных режимах нагружения, которые встречаются в условиях

эксплуатации конструкций, необходимо принять определенную схему накопления усталостных повреждений с возрастанием чи­ сла циклов нагружения. В случае простейшей — одноступенча­ той— программы нагружения в порядке первого приближения считается, что накопление повреждений происходит равномерно от начала нагружения до момента разрушения испытуемого объ­ екта. При более сложной программе нагружения, например, при монотонно возрастающей интенсивности нагружения, схемати­ чески изображенной на рис. 141, можно было ожидать соблюде­ ния прежней схемы накопления повреждений — равномерное нарастание повреждений на каждой ступени программы нагру­ жения— и простого суммирования повреждений, полученных на всех пройденных ступенях программы до разрушения. Такую общую закономерность аналитически можно выразить уравне­ нием

^*1

Здесь NKfi — разрушающее число циклов нагрузки при коэф­ фициенте Кп, а — число циклов той же нагрузки, фактиче­

138

ски полученное при испытании {N‘Kn< N K ). Величины коэффи­ циентов К удовлетворяют неравенству

K ,< K ,< K Z . . . € К п.

В уравнении (1), выражающем гипотезу линейного суммиро­ вания усталостных повреждений, впервые предложенную Пальмгреном [24], предполагается, что нарастание усталостных повреж­ дений на любой ступени не зависит от результатов действия нагрузок на предыдущих ступенях программы нагружения. Эта закономерность в мировой научно-технической литературе встре­ чается под разными названиями: линейный закон суммирования, кумулятивный закон суммирования, закон простого суммирова­ ния и т. д. Для проверки этой закономерности прямым экспери­ ментом были испытаны плоские образцы с отверстием из сплава Д16-Т при двух, трех и четырех ступенях программы нагружения.

Перед испытанием образцов из сплава Д16 повторными на­ грузками в две ступени при /Ci = 0,5 и /С2 =0,7 были проведены испытания по одноступенчатой программе до разрушения, кото­ рые при /Ci=0,5 дали разрушающее число циклов #о,5=32000 и при Кг=0,7—Nos = 9000. Испытание первого образца двухступен­

Испытание второго образца двухступенчатой нагрузкой про­ водилось при /Ci = 0,5 до N‘0<5=0,5 •Л^о,5 := 16000 циклов, а затем

. Испытание третьего образца двухступенчатой нагрузкой про­ водилось при /Ci=0,5 до NQ5 =0,70 •ЛГо.з=22400 циклов, а затем

при /<2 = 0 ,7 — до разрушения, которое произошло при N'07= =2625 циклов, что составляет 0,29#0,7- По уравнению (1)

Перед испытанием таких же образцов, но из другого листа Д16-Т по трехступенчатой программе были проведены вначале испытания по одноступенчатой программе до разрушения при /Ci=0,5, Кг=0,6 и /Сз=0,7, которые дали А70>5=36000, Л70,6 = 17400 и N<>,7=7920 циклов. Испытание трехступенчатой нагрузкой про­

139

водилось при /Ci = 0,5 до N'05=0,32N0IS. Затем тот же образец был испытан при /G = 0 , 6 до N ’0 6=0,33No,6 и, наконец, он же был ис­ пытан при /Сз=0,7 до разрушения и показал Л^ 7 = 2260 циклов,

произошло при Л^8=1154 циклов, что составляет 0,385/VeПо

Итак, отклонение суммы отношений N'/N от‘единицы только в одном случае достигает 6 %, а в большинстве случаев не пре­ вышает 2 %, если изменение повторных нагрузок за все время испытания представляет монотонное повышение их величины от ступени к ступени.

Первая же попытка к изменению порядка смены ступеней программы на обратный — начинать нагружение с более высо­ кой ступени и переходить на более низкие (например, рис. 142) — привела к совершенно иным зависимостям. Сразу стало очевид­ но, что более высокая нагрузка резко изменяет закон накопления усталостных повреждений при приложении в дальнейшем более низких уровней нагрузок. Число же факторов, от которых зави­

140