книги / Прочность конструкций при малоцикловом нагружении

тается, что подходящий к вырезу поток напряжений как бы огра­ ничивается соседними к вырезу шпангоутами (окаймляющие вырез шпангоуты при этом не считаются). Для стенок лонжеронов в ка­ честве сечения нетто принимается сечение между полками лон­ жеронов; для выреза, изображенного на рис. 5.2,

Для вырезов, расположенных несимметрично, можно отдель­ но рассчитыать обе стороны, беря вместо W и d расстояния до оси симметрии выреза от ограничивающего сечение нетто элемента конструкции и края выреза.

В тех случаях, когда разрушение может начаться не со сво­ бодного края выреза, а от соединения, методику приближенного расчета напряжений по интерполяционным зависимостям [4] комбинируют с методикой расчета соединений, считая, что рассчитываемое соединение подвергается воздействию локальных напряжений, определенных по интерполяционным соотношени­ ям. Такой расчет обычно проводят для вырезов больших радиу­ сов, подкрепленных листами на заклепках или болтах. Вместо эффективного в этом случае используется упругий коэффициент кон­ центрации напряжений. Для случаев комбинированного нагру­ жения (например, двухосного растяжения и кручения) или мно­

где (сг„)Пр — компонента напряжений, по которой ведется расчет {см. гл. 11).

111

Стремление к повышению точности прогнозирования долго­ вечности и ресурса привело к созданию в СССР и за рубежом стан­ дартизованных программ нагружения, которые воспроизводят не только распределение эксплуатационных нагрузок, но и ха­ рактер их чередования. При этом в авиастроении осуществляют подсчет долговечности по количеству полетов (полетных циклов) и в качестве ограниченной реализации выбирают полетный блок, количество полетов в котором составляет 10—20% от общего числа полетов, требуемого для данного самолета. Такой выбор полетного блока позволяет в широких пределах исследовать влия­ ние на долговечность уровня напряжений, геометрических осо­ бенностей конструкции и технологии изготовления.

Основными стандартизованными программами квазислучайного нагружения являются программы для воспроизведения на­ грузок на верхнюю и нижнюю поверхность крыла транспортных и маневренных самолетов. Программа усталостных испытаний крыла (ПУСК) разработана на основе аналогичной по назначе­ нию программы TWIST [4]. В основу этих программ положено нредположение о том, что все нагрузки меняются пропорциональ­ но среднему напряжению крейсерского полета и все эксплуата­ ционные нагрузки в полетном цикле можно представить в виде двух участков, на которых среднее напряжение остается постоян­ ным (воздушные и наземные нагрузки) с меняющимися на этих участках амплитудами нагрузок. Весь полетный блок состоит из 4000 полетных циклов десяти различных типов, которые разли­ чаются между собой по максимальной амплитуде и количеству циклов воздушных нагрузок. Наземные нагрузки имитируются циклами N с постоянной амплитудой или минимальной наземной нагрузкой, прикладываемой между отдельными полетами. Рас­ пределение по амплитудам и количеству циклов для каждого типа полета, распределение в полетном блоке полетов по типам, количество циклов и предельные значения напряжений от назем­ ных нагрузок задаются таблично. Распределение амплитуд внут­ ри полета и полетов по типам осуществляется с помощью двух генераторов случайных чисел. Характерной особенностью при подготовке данных для этих стандартизованных программ яв­ ляется осреднение данных и исключение амплитуд нагрузок, которые встречаются в эксплуатации реже, чем один раз за по­ летный блок.

Для исследовательских целей на основе указанной выше про­ граммы была разработана программа испытаний на ресурс в ус­ ловиях эксплуатации транспортного самолета; в ней полетный цикл разбивается на пять участков (три для воздушных и два для наземных нагрузок), задаются распределения величин средних напряжений на отдельных участках и наземные нагрузки в виде случайной последовательности (на каждом участке существует масштабирующий множитель для исходного распределения ам­ плитуд).

Для стандартизованных программ испытаний применительно

112

к маневренным самолетам с помощью численного моделирования на магнитный носитель записывают последовательность пере­ грузок в полетном блоке, которая преобразуется в последова­ тельность нагрузок на образец и реализуется на электрогидравлических испытательных машинах. Аналогичные стандартизо­ ванные программы применяют для испытаний вертолетов.

Испытания элементов конструкций по стандартизованным программам ведутся с разделением процесса усталости на две стадии: до возникновения и после возникновения трещины с ав­ томатизацией регистрации данных о распространении устало­ стной трещины.

Сложность программ нагружения и необходимость обработки больших массивов данных потребовали автоматизации всего про­ цесса усталостных испытаний элементов авиаконструкций. Основными направлениями при этом явились оснащение электрогидравлических машин и систем управляющими микро- и миниЭВМ, создание информационно-измерительных систем для прове­ дения тензометрии и дефектоскопии. Наряду с созданием соответ­ ствующей аппаратуры большое внимание было уделено разработке математического обеспечения этих систем. В процессе этих ра­ бот было создано системное математическое обеспечение устало­ стных испытаний, которое позволило писать программы управле­ ния испытаниями, подготовки, регистрации и обработки данных на языке высокого уровня ФОРТРАН-IV. Это математическое обеспечение было разработано для мини-ЭВМ и стандартных ин­ терфейсов, включающих в себя аналогоцифровые и цифроанало­ говые преобразователи, программируемые часы и регистры циф­ рового ввода—вывода. При этом существенное значение имеет обеспечение быстродействия регистрации данных, оптимизация использования машинного времени, унификация и уменьшение количества необходимой памяти для регистрируемых данных, а также независимость программ испытаний в исходном виде от типа используемого интерфейса.

Следует отметить, что испытания модельных и натурных эле­ ментов на усталость по разработанным программам являются ос­ новным средством отработки элементов авиаконструкций. Таким испытаниям должны подвергаться типовые элементы, расчет ко­ торых не дает пока достаточно надежных данных о циклической долговечности. Некоторые пространственные элементы требуют натурных испытаний всей конструкции в сборе.

Таким образом, обоснование прочности и долговечности авиа­ ционных конструкций осуществляют на основе комплекса расчет­ ных и экспериментальных этапов, в процессе которых уточняют циклическую нагруженность элементов конструкции, реализуют испытания и доводку, разрабатывают регламент технологического и эксплуатационного контроля, проводят систему мероприятий по обеспечению безопасности повреждения и устанавливают ре­ сурс авиаконструкции.

113

§ 2. КИНЕТИКА МЕСТНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ С НАГРЕВОМ

ЛИСТОВЫХ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В ряде случаев авиационные конструкции эксплуатируются в ус­ ловиях сложного взаимодействия спектров аэродинамической тем­ пературной и силовой нагруженности. Воздействие силовых фак­ торов и температуры на этапах полетного цикла порождает ин­ тенсивное протекание процессов перераспределения напряжений и деформаций, изменение структурных параметров и механиче­ ских характеристик материала, накопление циклических и дли­ тельных повреждений. Изменение несущей способности элемен­ тов авиационных конструкций оказывается особенно выражен­ ным для малоциклового нагружения при наличии пластических

ционарность кинетики местных напряженно-деформированных состояний. Расчет долговечности в таких условиях, как отме­ чается в гл. 1, 2, 4, 8 и 11, осуществляют на основе решений со­ ответствующих краевых задач, реализуемых экспериментально, с помощью численных решений или приближенных аналитических методов.

Анализ существующих экспериментальных возможностей [7, 8] показывает, что для измерений полей циклических дефор­ маций в зонах концентрации при повышенных температурах наи­ более удобен способ, базирующийся на использовании эффекта возникновения картин муаровых полос и методах автоматизиро­ ванной цифровой обработки изображений [9]. Разработанная математическая модель, описывающая формирование муаровой картины при наложении эталонного и рабочего растров, уста­ навливает взаимосвязь между полем смещений нанесенного на исследуемую поверхность растра и полем освещенности резуль­ тирующей картины муаровых полос. При этом в отличие от тра­ диционного способа измерения перемещений в геометрических местах наибольшего или наименьшего почернения муаровой кар­ тины определяют массивы перемещений по «дробным» порядкам (градациям освещенности) муаровых полос, т. е. фактически осу­ ществляют разбиение полосы на множество (до 102) подполос. Это существенно увеличивает чувствительность и точность метода муаровых полос при измерениях деформаций элементов листовых конструкций в услових циклических нагружений при повышен­ ных температурах. Проведенные с применением такого метода измерения полей деформаций (в диапазоне 1-10_3 — 2-10'1 с ве­ личиной погрешности 3—5%) на образцах из сплава АК4-1-Т1, моделирующих элемент панели планера, показали, что в диапазоне

114

Рис. 5.4. Перераспределение интенсивностей деформаций по числу циклов

Рис. 5.5. Изменение интенсивностей деформаций по числу циклов в опасном сечении полосы (dlb = 0,16) из сплава АК4-1-Т1 при t = 150° С и — = 180 МПа

Рис. 5.6. Кривые накопления циклических максимальных местных и номи­ нальных деформаций в полосе с отверстием (d lb = 0,16) из сплава АК4-1-Т1

1— 5 — Ат = 10 мин, ап = 180 МПа; 2 и 7 — Ат = 1 мин, ап = 180 МПа; 3 и а — Ат = = 1 мин, ап = 150 МПа; 4 и в — Ат = 10 мин, ап — 150 МПа

ся накопление и перераспределение пластических деформаций по числу циклов и режим деформирования в зоне концентрации су­ щественно отличается от жесткого. При этом на верхней границе

115

Рис. 5.7. Распределение относительных интенсивностей деформаций e;/eirnaJ£ в зависимости от времени выдержки Дт и уровня циклического нагружения

квазистатического типа, происходящими при достижении пре­ дельной деформации однократного статического растяжения. При температурах t = 120 -г- 150° С наблюдаются разрушения сме­ шанного типа, т. е. разрушения с трещиной в присутствии разви­ тых пластических деформаций. На рис. 5.4 приведены кривые, иллюстрирующие поцикловую кинетику полей местных дефор­ маций при t = 215° G и <хп = 150 и 180 МПа, а на рис. 5.5 — кри­ вые перераспределения деформаций в зоне концентрации (а0 — = 2,5) при t =150°С иап = 180 МПа. На основе измерения дроб­ ных порядков муаровых полос определены не только местные, но и номинальные деформации. Из рис. 5.6 видно, что различие тем­ пов роста по числу циклов максимальных местных и номинальных деформаций определяет кинетику увеличения коэффициентов кон­ центрации деформаций.

Увеличение времени выдержки при амплитудном значении напряжения в полуцикле растяжения интенсифицирует процесс накопления деформаций ползучести. В этих условиях локализа­ ция деформаций у контура концентратора менее выражена и на­ копление номинальных деформаций обусловливает снижение темпов роста Ке по числу циклов (рис. 5.6) по сравнению с цик­ лическим нагружением без выдержек (Ат = 0). Полученные для сплавов В-95Т и АК4-1-Т1 данные показывают также, что отно­ сительные градиенты Д = delemax деформаций в упругой области и начальных стадиях упругопластического деформирования при­ мерно равны. Аналогичные результаты получены для АК4-1-Т1 расчетом по методу конечных элементов в работе [10).

Вместе с тем, как показывают измерения при развитых зонах пластичности и деформациях етлх > 1%, относительные распре­ деления циклических односторонне накопленных деформаций е‘/е'тах заметно отличаются от упругого случая. Для примера на рис. 5.7 приведены зависимости вг/вгшах, построенные на раз­ ных стадиях циклического упругопластического деформирования панели с отверстием (размеры в плане 100 X 400 мм, диаметр 16 мм, толщина 3 мм) из сплава АК4-1-Т1.

116

Результаты экспериментальных исследований кинетики де­ формаций в зонах концентрации использовали для оценки на­ дежности расчетных подходов с применением МКЭ и интерполя­ ционных соотношений типа (2.14), модифицированных с учетом поведения материала в упругопластической области.

Предварительно на образцах из сплавов АК4-1-Т1, В-95Т, Д-19Т в диапазоне температур Т = 20 -т- 215° С при статическом, малоцикловом и длительном статическом нагружениях были по­ лучены характеристики материалов при однородном напряжен­ ном состоянии. Время испытаний на ползучесть составляло от 0,5 до 3000 ч, суммарное время т циклических испытаний — от 0,01 до 100 ч при продолжительности цикла в интервале от 0,02 до 0,85 ч; диапазон разрушающих чисел циклов N составил 10° — ^2-104 циклов. В результате обработки результатов испытаний построены [И] кривые изменения ширины петли б по числу цик­ лов К, кривые усталости при мягком и жестком нагружениях, зависимости поперечного сужения ф от числа циклов и времени испытания, кривые ползучести и изохронные кривые. Для алю­ миниевых сплавов в отличие от сталей участок упрочнения на диаграмме деформирования оказывается более пологим, в ука­

> 190° время деформирования, по существу, является опреде­ ляющим фактором сопротивления деформированию и разрушению. Характеристики предельной пластичности, полученные при цик­ лическом и длительном статическом нагружениях, при этих тем­ пературах практически совпадают. В диапазоне температур t

190° при мягком нагружении наблюдаются только квазистатические разрушения. С понижением температуры наблюдается уменьшение влияния ползучести. При t 120° фактор времени становится несущественным и сопоставление данных по предель­ ной пластичности целесообразно производить в зависимости от числа циклов.

ментов конструкций методом конечных элементов и на основе соотношений типа (2.14). Достижение предельных состояний опре­ деляли на основе деформационного критерия малоциклового раз­ рушения в виде, представленном в гл. 1, 6.

Для примера на рис. 5.8 приведены результаты расчета дол­ говечности полосы с отверстием из сплава АК4-1-Т1 при t = 150° по МКЭ и по модифицированному уравнению (2.14). Расчет вы­ полнен но моменту образования трещины. Здесь же представлены результаты прямого эксперимента, проведенного с использова-

117

Рис. 5.8. Сопоставление расчетных и экспери­ ментальных оценок долго­ вечности по моменту образо­ вания трещины

Д, л — расчет по МКЭ; # , о — расчет по уравнению (2.14); ® — эксперимент; А, О — Дт= = 10 мин; А — Дт = 0 мин

нием метода муара в идентичных температурно-силовых усло­ виях. Результаты сопоставления свидетельствуют об удовлетво­ рительном соответствии расчетных данных и эксперимента.

Таким образом, с переходом в область повышенных температур обоснование допускаемых размахов напряжений и деформаций и оценку долговечности фюзеляжных конструкций необходимо осуществлять с учетом изменения механических свойств мате­ риала, интенсификации кинетики напряженно-деформированных состояний и процессов ползучести в зонах концентрации по чис­ лу циклов и по времени.

В целом можно отметить, что и циклическая долговечность

ибезопасность повреждения авиаконструкций обеспечиваются:

—своевременной и правильной оценкой нагруженности;

—надлежащим выбором материалов и технологии;

—необходимым объемом расчетов напряженно-деформирован­ ного состояния, долговечности и трещиностойкости;

—тщательным конструированием элементов, особенно соеди­ нений и других мест с концентрацией напряжений;

—достаточным объемом испытаний натурных элементов на этапе проектирования;

—совершенством методики и техники натурных испытаний авиаконструкций на усталость и живучесть (безопасность повреж­ дения);

—контролепригодностью конструкции.

Литература к главе 5

4.Сопротивление усталости элементов авиаконструкций, 1981. (Тр. ЦАГИ; Вьш. 2117).

5.Свирский Ю. А. Расчетные кривые выносливости для нестационарного нагружения.— Учен. зап. ЦАГИ, 1981, т. XII, № 4.

118

6.Петерсон. Коэффициенты концентрации напряжений. М.: Мир, 1977.

7.Шнейдерович Р. М ., Левин О. А. Измерение полей пластических деформа­ ций методом муара. М.: Машиностроение, 1972. 151 с.

8.Прочность при малоцикловом нагруженип/Под ред. С. В. Серенсена. М.: Наука, 1975. 285 с.

9. Левин О. А ., Соколов Б. В. Анализ особенностей автоматизации процес­ са обработки картин муаровых полос.— Завод, лаб., 1977, № 12.

10.Махутов Н. А ., Милькова Н . И. Определение полей упругопластических деформаций при решении плоских задач концентрации напряжений.— Машиноведение, 1980, № 1.

11.Бармас В. Ю. К оценке сопротивления сплава АК4-1-Т1 малоцикловому

деформированию при внутреннем нагреве образцов.— Завод, лаб., 1980, № 1.

Глава 6

ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ РОТОРОВ

§1. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ИКОНСТРУКТИВНЫЕ ФОРМЫ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ РОТОРОВ СЕПАРАТОРОВ

Центробежные машины нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Особое место среди этих машин зани­ мают центробежные жидкостные сепараторы, которые используют­ ся более чем в 50 отраслях промышленности. Наиболее широкое применение центробежные сепараторы нашли в химической, ме­ дицинской, биологической, пищевой и других отраслях промыш­ ленности. При своих незначительных габаритах и энергопотреб­ лении центробежные сепараторы интенсифицируют разделение гетерогенных жидких систем в сотни и тысячи раз быстрее по срав­ нению, например, с фильтрами или отстойниками [1]. Именно поэтому количество технологических процессов, включающих в себя сепарацию, неизменно растет. В последнее время интенси­ фикация привела к созданию высокопроизводительных саморазгружающихся сепараторов с непрерывной и пульсирующей вы­ грузкой осадка. Роторы современных промышленных сепарато­ ров представляют собой сложные по форме, многокомпонентные циклически симметричные оболочки вращения (рис. 6.1), на кото­ рые в эксплуатации действуют инерционные и поверхностные усилия в сочетании с воздействием агрессивной среды. Циклич­ ность этих нагрузок связана с запусками, остановками, полной и частичной разгрузкой, с изменениями в плотности сепарируе­ мой вращающейся среды.

Условия работы роторов сепараторов требуют применения высокопрочных нержавеющих сталей и титановых сплавов, ре­ шения сложных технологических и металлургических вопросов,

119

совершенствования условий дефектоскопии, структурного а налы за, балансировки. Применяемые в сепараторостроении расчеты на прочность по номинальным напряжениям позволяют выбрать основные размеры проектируемой конструкции, исключающие ее разрушение при однократном воздействии наибольшими рабо­ чими нагрузками или образование деформаций, нарушающих нормальную работу сопрягаемых деталей. При этом коэффициен­ ты запаса прочности по номинальным напряжениям и пределу текучести принимают в зависимости от материала:

—для углеродистых, аустенитных и аустенитно-мартенсит­ ных сталей — 2;

—для аустенитно-ферритных сталей — 1,8;

—для титановых сплавов — 3.

По сумме мембранных и местных напряжений в зонах концент­ рации коэффициенты запаса прочности в 1,3—1,5 раза ниже ука­ занных.

При нормальных режимах работы величины номинальных напряжений в указанных элементах роторов относительно невели­ ки в сравнении с пределом упругости применяемых материалов. Однако режимы работы саморазгружающихся сепараторов не являются статическими и стационарными (рис. 6.2); в местах по­ вышенной концентрации напряжений могут возникнуть повтор­ ные упругопластические деформации, приводящие к образованию и развитию малоциклового разрушения. На рис. 6.3 показаны трещины эксплуатационного повреждения деталей ротора.

Коррозионное растрескивание под напряжением аустенитно­ мартенситной стали, связанное с наличием в структуре карбид­ ной сетки по границам зерен, а также повышенное содержание водорода способствовали ускорению процессов. При этом источ­ никами трещин являлись металлургические дефекты, характер­ ные очаги щелевой или точечно-язвенной коррозии, а также ра­ ковины гидроабразивного износа.

Основными несущими деталями барабанов сепараторов явля­ ются: корпус ротора 4, крышка 2, поршень 3, основание ротора 1 , большое затяжное кольцо 5 (см. рис. 6.1). Корпус ротора пред­ ставляет собой последовательно соединенные концентрические круговые цилиндрические оболочки постоянной и переменной тол­ щин. Цилиндры могут быть короткими, средней длины с соотно­ шением диаметра к толщине 10—20. Между собой цилиндры со­ прягаются коническими переходами или непосредственно соеди­ няются друг с другом, образуя ступенчатое изменение толщины с различными радиусами перехода. В корпусе ротора находится зона разгрузки в виде разгрузочных окон сложной формы или отверстия под соплодержатели (обычно по 6—12 штук). Конструк­ тивные формы и размеры окон и отверстий под соплодержатели в сепараторостроении весьма разнообразны. Некоторые из при­ меняемых форм показаны на рис. 6.3. Внизу корпус барабана заканчивается днищем, вверху — фланцем. Крышка относится к съемным элементам корпуса и соединяется с ним при помощи

120