Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение надежности и улучшения эксплуатационных качеств изделий в авиадвигателестроении возможно как за счет создания прогрессивных новых технологий и конструкционных материалов, так и на основе более глубокого изучения закономерностей деформирования и разрушения материалов и элементов конструкций, что позволяет уже на этапе проектирования создавать изделия с необходимыми эксплуатационными свойствами и при этом сократить сроки их разработки и внедрения.
Применительно к конструкциям летательных аппаратов (ЛА) и газотурбинных двигателей (ГТД) опыт эксплуатации свидетельствует, что существующая практика расчетов и испытаний не дает гарантий от появления преждевременных усталостных повреждений в виде трещин в силовых элементах и узлах высоконагруженных соединений. Разрушение элементов авиационных конструкций происходит, как правило, в зонах концентрации напряжений: отверстия под заклёпки в жаровой части камеры сгорания и створок реактивного сопла, отверстия под стяжные болты в дисках компрессоров и турбин, отверстия под заклёпки в обшивке крыла и фюзеляжа и т.д.
Прочность, ресурс, надежность и масса современного самолета и двигателя в значительной степени определяются конструктивными особенностями и качеством выполнения точечных (заклепочных и болтовых) соединений, которые являются концентраторами напряжений и источниками зарождения усталостных трещин. При этом подавляющее большинство таких элементов конструкций в процессе эксплуатации подвергаются воздействию двухосных статических и малоцикловых нагрузок различной интенсивности. Однако отсутствие оборудования, методов экспериментального изучения и математического описания процессов зарождения и распространения усталостных трещин в реальных конструкциях определяют важность исследования закономерностей и развитие методов расчета возникновения и распространения трещин в точечных соединениях.
Все это свидетельствует об актуальности и необходимости изучения причин и закономерностей появления очагов возникновения и распространения трещин в элементах соединений различных конструкций, разработки конструктивных, технологических и профилактических мер, обеспечивающих существенное торможение процесса зарождения и снижение скорости распространения усталостных трещин, что обеспечит увеличение надежности и ресурса всего изделия.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является разработка методов оценки циклической трещиностойкости точечных соединений листовых материалов при двухосном малоцикловом нагружении.
Для достижения заданной цели были определены следующие задачи исследования:
- создать экспериментальный испытательный комплекс и разработать экспериментальные методы для определения характеристик скорости роста
трещин малоцикловой усталости при плоском (двухосном) напряженном состоянии;
- исследовать с помощью численных и аналитических методов напряжён
но-деформированное состояние пластин с концентратором при двухосном на-
гружении при отсутствии и наличии трещины;
исследовать напряжённо-деформированное состояние пластины с заполненным отверстием;
установить закономерности роста трещин при плоском (двухосном) напряженном состоянии в материалах Д16АТ и ОТ-4 в зависимости от степени двухосности и угла наклона трещины;
исследовать влияние степени натяга в точечном соединении и двухосности нагружения на процесс зарождения и развития трещин.
Научная новизна. Научной новизной обладают следующие результаты теоретических и экспериментальных исследований:
разработана и создана установка для испытаний плоских крестообразных образцов при малоцикловом двухосном нагружении (авторское свидетельство №1051406);
разработана методика экспериментальных исследований кинетики роста трещин в плоских образцах при двухосном малоцикловом нагружении;
выявлены закономерности упруго-пластического разрушения заклепочных соединений и роста усталостных трещин при двухосном малоцикловом нагружении в материалах Д16АТ, ОТ-4;
разработаны аналитические модели и расчетные методы оценки коэффициента интенсивности напряжений, J- интеграла вблизи отверстия заклепочного соединения при двухосном нагружении;
разработан прием, позволяющий реализовать метод граничных интегральных уравнений в задачах концентрации напряжений и механики разрушения с «бесконечными» областями (крестообразные образцы для исследования трещиностойкости заклепочных соединений), находящимися в условиях в условиях однородного (в «бесконечности») напряжённого состояния;
экспериментально подтверждено влияние способа нагружения и степени двухосности, а также степени натяга в точечном заклёпочном соединении на процесс зарождения и развития усталостной трещины.
Основное практическое значение результатов состоит в следующем:
разработан и создан испытательный комплекс для экспериментального исследования закономерностей роста усталостных трещин при плоском напряженном состоянии и малоцикловом нагружении;
создана методика расчета скорости роста трещин в плоских образцах при двухосном нагружении;
выполнен ряд экспериментальных исследований по выявлению закономерностей роста усталостных трещин при плоском напряженном состоянии и определению влияния конструктивно-технологических факторов и НДС на зарождение и развитие трещин в заклепочных соединениях.
На защиту выносятся:
- разработанная и созданная на основе авторского свидетельства
№1051406 установка для испытаний плоских крестообразных образцов при
двухосном нагружении и методика экспериментальных исследований кинетики
роста трещин в плоских крестообразных образцах при двухосном малоцикло
вом нагружении;
- выявленные закономерности разрушения заклёпочных соединений и
роста усталостных трещин при двухосном малоцикловом нагружении в мате
риалах Д16АТ и ОТ-4;
разработанные аналитические модели и расчетные методы оценки коэффициента интенсивности напряжений, J - интеграла вблизи отверстия заклепочного соединения при двухосном нагружении;
разработанный прием, позволяющий реализовать метод граничных интегральных уравнений в задачах концентрации напряжений и механики разрушения с «бесконечными» областями, находящимися в условиях в условиях однородного напряжённого состояния;
полученное экспериментальное подтверждение влияния степени двух-осности, способа нагружения и величины натяга в точечном заклёпочном соединении на процессы зарождения и развития усталосной трещины.
Практическая реализация работы. Разработан комплекс программ для ЭВМ с использованием метода конечных элементов по определению НДС при наличии трещин и внедрен на заводе Кум АЛО г. Кумертау, ОАО «НПП «Мотор» г. Уфа.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научных конференциях и совещаниях, в том числе: Всесоюзной научно-технической конференции «Прогрессивные методы повышения прочностных характеристик крепежных соединений, обеспечивающих надежную работу изделий машиностроения», Республиканской 5-ой научно-технической конференции «Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение»(г.Ижевск, 1984г.), XXI Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей(г.Москва, 1986г.), Всесоюзной конференции «Экспериментальные методы в механике деформируемого твёрдого те-ла»(г.Калининград, 1987г.), XXII Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей(г. Москва, 1988г.), XXIII Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей (г. Москва, 1990г.), 11-ой Европейской конференции по разрушению (г. Пуатье, Франция, 1996г.), Всероссий-кой научно-технической конференции «Мавлютовские чтения» (г.Уфа, 2006г.).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 13 печатных работах, в том числе 2 в рецензируемых изданиях из списка ВАК.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 151 странице, содержит 40 рисунков, 2 таблицы и библиографический список из 201 наименования.
