книги из ГПНТБ / Григорьев Ю.П. Строительная механика летательных аппаратов дополнительные главы

ких вибраций может достигать десятков и сотен миллиардов и оказывать значительное воздействие на выносливость отдельных частей летательного аппарата.

дуря

Типичная диаграмма изменения низкочастотных нагрузок показана на фиг. 3.1.2. Пунктир изображает изредка действую­ щие на летательный аппарат нагрузки, которые могут оказаться больше расчетных нагрузок Рр. Эти внезапные нагрузки обычно вызываются действием восходящих или нисходящих порывов воздуха, величина и частота повторения которых зависят от тур­ булентности атмосферы в данный момент времени. Горизонталь­ но летящий самолет, попадая в порыв, испытывает действие дополнительной силы, величина которой определяется скоростью самолета, скоростью вертикального потока воздуха, удельной нагрузкой на крыло и аэродинамическими характеристиками самолета. Настота перегрузок при полете в неспокойном воздухе обычно настолько мала, что их рассматривают как повторные статические нагрузки.

Изображенные на фиг. 3.1.1, 3.1.2 диаграммы нагрузок не отличаются строго закономерным чередованием амплитуд. Для того чтобы можно было использовать кривые изменения нагру­

52

зок, полученные из летного эксперимента, их следует обработать, подсчитав, какое количество N нагрузок Р определенной ампли­ туды приходится на единицу времени или на некоторый отрезок пути, проходимого летательным аппаратом. Получаемая таким

Ф и г. 3.1.2

способом упрощенная кривая распределения нагрузок, показан­ ная на фиг. 3.1.3,а, б, называется с п е к т р о м н а г р у з о к . Спектр нагрузок необязательно является непрерывным, а в ряде случаев может характеризоваться разрывной диаграммой.

53

В общем случае прочность конструкции будет зависеть не только от величины амплитуды, но и от порядка чередования нагрузок, т. е. не столько от спектра нагрузок, сколько от про­ граммы нагружения. Испытания по сложной программе нагруже­ ния очень трудоемки и требуют специального дорогостоящего оборудования. Кроме того, провести испытания для всех про­ грамм, имеющих практическую ценность, не представляется воз­ можным. Поэтому обычно ограничиваются проведением испы­ таний на переменную нагрузку по упрощенной программе, при­ нимая амплитуду постоянной и равной максимальной амплитуде спектра. Такой подход приводит к завышению запаса прочности

конструкции. Реже проводятся испытания по более сложной пропрограмхЛ, соответствующей постепенному возрастанию (фиг. 3.1.4,а) или убыванию амплитуды нагрузки (фиг. 3.1.4,б).

Закон изменения нагрузки в пределах каждого цикла не играет существенной роли. Поэтому часто для упрощения прини­ мают, что нагрузка изменяется по синусоидальному (фиг. 3.1.5,а) или линейному (фиг. 3.1.5,6) закону.

54

Цикл переменной нагрузки можно однозначно определить, задавши его форму (закон изменения нагрузки во времени), мак­ симальное (<зшах) и минимальное (omin) напряжения (либо сред­ нее напряжение от и. амплитуду цикла <за). Связь между величи­ нами, определяющими цикл, устанавливается следующими соот­ ношениями:

Ф и г. 3.1.5

Характер цикла определяется соотношением между наиболь­ шим и наименьшим напряжениями цикла. Численно степень сим­ метричности цикла измеряется отношением

а) о».0, *~ / 6) от- о а; ^ 0 Юоа- 0 ,1 Ч

Ф и г. 3.1.6

нагружение, которое можно рассматривать как предельный слу­ чай переменной нагрузки при амплитуде, стремящейся к нулю, определяется значениями amjn= агаах = const и Е=1 (фиг. 3.1.6,в).

Всякий цикл переменной нагрузки можно представить как результат совместного действия постоянной нагрузки от = const и симметричного цикла с амплитудой оа. В случае чисто симмет­

55

Обычно для целей практики достаточно рассматривать циклы с нулевым и положительным средним напряжением, так как при­

является ее частота, т. е. количество циклов изменения нагрузки в единицу времени. Опыт показал, что изменение частоты нагру­ жения резко изменяет сопротивляемость металла разрушению и характер протекания процесса разрушения.

В дальнейшем будем различать три типичных диапазона частот: повторные статические нагрузки, меняющиеся с частотой 1—20 циклов в минуту, переменные нагрузки средней частоты (10—50 гц) и высокочастотные вибрации с частотой свыше

200гц.

3.2.ВНЕШНИЕ ПРИЗНАКИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ

При достаточно большом числе повторений переменная нагрузка может вызвать разрушение детали, несмотря на то, что максимальное значение создаваемого ею напряжения намного меньше временного сопротивления и даже меньше предела теку­ чести материала.

Систематическое повторение Сравнительно небольших напря­ жений производит незначительные внутренние ослабления в ме­ талле, которые постепенно накапливаются и образуют микроско­ пические трещины. Дальнейшее развитие микротрещин приводит к возникновению видимой трещины, проникающей внутрь детали в виде острого надреза и уменьшающей «живую» площадь попе­ речного сечения.

При неизменной величине переменной нагрузки развитие тре­ щины приводит к увеличению напряжений в ослабленном сече­ нии и постепенному ускорению процесса разрушения. В тот мо­ мент, когда напряжения достигают предела прочности материала, наступает внезапное разрушение детали, всегда носящее хруп­ кий характер, независимо от свойств материала детали.

Усталостное разрушение очень опасно. Оно носит катастрофи­ ческий характер в силу своей внезапности и трудности предвари­ тельного обнаружения зародышевых усталостных трещин.

Если статическому разрушению обычно предшествуют замет­ ные на глЬз пластические деформации, то приближение устало­ стного разрушения обычным осмотром выявить почти невоз­ можно.

Хрупкость усталостного разрушения объясняется возникнове­ нием на дне трещины объемного напряженного состояния типа всестороннего растяжения, при котором практически отсутствуют

56

касательные напряжения и не могут развиваться сколько-нибудь заметные деформации сдвига, приводящие к пластическому деформированию металла. Напряженное состояние элемента вблизи вершины трещины (в точке А) и примерный вид эпюр <зх

иа2 показаны на фиг. 3.2.1.

Вподавляющем большинстве случаев усталостная трещина начинается с поверхности и распространяется в глубь детали. Свое начало трещина берет от мест наибольшей концентрации напряжений (различные отверстия, галтели, выкружки, насечка, резьба и т. п.) и местных ослаб­ лений технологического и экс-

трещины, надиры и местный наклеп поверхности в местах сочленения деталей, коррозион­ ные раковины и т. п.). Реже воз­ никают усталостные, трещины в подповерхностном слое. Это возможно при наличии упрочнен­ ного поверхностного слоя (при

металлургических дефектов, рас­ положенных близко к поверх­ ности.

Поверхностный слой не только содержит в себе большое коли­ чество дефектов различного происхождения, но оказывается и наиболее напряженным, так как даже в случае детали, работаю­ щей на растяжение, неизбежный эксцентриситет нагрузки и нали­ чие начальной погиби всегда приводит к перегрузке поверхност­ ных волокон.

По внешнему виду усталостный излом резко отличается от статического излома. Как правило, он имеет три характерные зоны (фиг. 3.2.2): гладкую притертую зону 1 распространения трещины, зону кристаллического излома 3, возникающую при хрупкой доломке детали, и узкий промежуточный поясок 2 «пори­ стого» строения, разделяющий две предыдущие зоны.

Промежуточная зона отчетливо выделяется только при разру­ шении детали под действием высокочастотной нагрузки. В этом случае нагрузка в течение одного цикла, действует ничтожное время, за которое все микротрещины, образовавшиеся в зоне предразрушения 2, не успевают слиться в макротрещину и после окончательного излома остается тонкий слой материала, густо насыщенный порами и мелкими трещинами, отличный по виду от двух других зон.

57

видимых невооруженным глазом. Это вторая, наиболее длитель­ ная стадия развития усталостного разрушения, занимающая от 50 до 80% общего времени службы детали.

Третья стадия — развитие макроскопической трещины, про­ никновение ее внутрь образца, — приводит к резкому уменьше­ нию статической прочности и внезапному хрупкому разрушению. Последняя стадия обычно непродолжительна и связана с силь­ ным снижением надежности работы детали. Поэтому обнаруже­ ние усталостной трещины при профилактическом осмотре дол­ жно вести к немедленной замене детали.

Направление усталостной трещины в начальной стадии разви­ тия в основном определяется характером концентрации напря­ жений, геометрической формой концентратора и его расположе­ нием. Однако в процессе разрушения усталостный излом меняет свою ориентацию, располагаясь в плоскости, перпендикулярной направлению действия наибольших растягивающих напряжений. Так, например, при кручении вала, имеющего продольные воло­ совины вблизи поверхности, могут развиться усталостные тре­ щины, идущие вдоль волосовин. В дальнейшем эти трещины изменяют направление и развиваются по плоскостям, составляю­ щим угол 45° с осью вала, т. е. по плоскостям, перпендикулярным направлению главных растягивающих напряжений.

3.3.УСТАЛОСТЬ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ИВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Прочность материала при действии переменных нагрузок характеризуется количеством циклов, которое образец из дан­ ного материала выдерживает, не разрушаясь, при определенном уровне максимальных напряжений и заданных коэффициенте асимметрии и частоте цикла.

Поскольку еще не создано удовлетворительной теории уста­ лостного разрушения, выносливость материала, т. е. его способ­ ность сопротивляться разрушению от усталости, определяется экспериментальным путем. Приходится строить кривые выносли­ вости для различных параметров, характеризующих переменный цикл нагрузки (частота, коэффициент асимметрии, максималь­ ные напряжения), условия нагружения (характер напряженного состояния, температура, наличие коррозионной среды) и влияние конструктивных и технологических факторов (форма образца или детали, абсолютные размеры, состояние поверхности, нали­ чие упрочненного поверхностного слоя).

Для того чтобы исключить влияние перечисленных выше фак­ торов и получить возможность оценивать выносливость матери­ ала, а не детали, принято проводить испытания на цилиндриче­ ских образцах диаметром от 7 до 12 мм с полированной поверх­ ностью при действии симметричного цикла нагрузки с частотой

60

от 10 до 00 гц. В этом случае выявляется только влияние макси­ мального напряжения, а действие остальных факторов может быть выявлено с помощью дополнительных экспериментов.

В дальнейшем, если не сделано специальных оговорок, речь будет идти об испытаниях при симметричном цикле с частотой

10—50 гц.

Симметричный цикл легко получить на вращающемся образ­ це, который изгибается постоянной силой. За каждый оборот продольное волокно образца переходит из растянутой зоны в сжатую и обратно, так что напряжения в нем меняются от мак­ симальных растягивающих до максимальных сжимающих.

На схеме фиг. 3.3.1,а показана установка для испытания кон­ сольных образцов. Схема фиг. 3 3.1,6 обеспечивает нагружение образцов чистым изгибом. Цифрой 1 на обеих схемах отмечен испытываемый образец, цифрой 2 — груз, цифрой 3 — электро­ мотор, вращающий образец.

Существуют машины для испытания на выносливость при рас­ тяжении—сжатии, кручении и сложных видах нагружения. Во всех случаях вид кривых выносливости для данных условий испытания и данного материала оказывается одинаковым.

61