Долговечность и надежность конструкций авиационной техники Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.55.13.17

А.В. Кацура, Г.Г. Крушенко

Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева, г. Красноярск

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

В авиационном машиностроении для скрепления листовых конструкций летательных аппаратов (ЛА) широко применяются заклепки из деформируемых алюминиевых сплавов [1]. При этом выполнение заклепочного соединения завершается формированием замыкающих головок посредством пластического деформирования хвостовика стержня заклепки с сопутствующим обжатием собираемого пакета в местах постановки крепежа. Снятие технологической нагрузки сопровождается упругим пружинением стержня и пакета, что приводит к существенному уменьшению усилия сжатия.

В настоящей работе представлены результаты исследования влияния календарного времени на осевой натяг в заклепочных соединениях и на их остаточные усталостные характеристики с использованием образцов поперечного многоточечного двухсрезного болт-заклепочного стыкового соединения.

Принимая во внимание уровень механических свойств заклепок и соизмеримость жесткостей крепежа и соединяемых деталей, можно прогнозировать ослабление с течением времени заклепочного соединения вследствие релаксации усилий сжатия [2].

Образцы изготовляли из листов алюминиевого сплава Д16АТ толщиной 6 и 3 мм, соединенных встык накладками из этого же сплава. При сборке пакета были применяли болт-заклепки из стали 30ХГСА в двух вариантах исполнения. В первом варианте крепежа профиль рифленой части стержня болт-заклепок имел упорную накатку (образцы типа V), во втором - трапециевидную (образцы типа Т). Соединение выполнено с нормированным гарантированным осевым натягом по заводской технологии.

Статические испытания при осевом растяжении образцов проводили на гидропульсаторе ГРМ-1 при скорости нагружения 4000 кгс/мин. Усталостные испытания при циклическом растяжении проведены также на этой установке. Минимальная нагрузка цикла нагружения для всех типов образцов (700 кгс) выбрана по условиям стабильности режима

146

нагружения и устойчивой работы гидропульсатора одностороннего действия вблизи нулевой нагрузки. Частота нагружения - 330 циклов в минуту (6,6 Гц). Градуировку ГРМ-1 по параметрам цикла нагружения производили с помощью тензометрирования.

Выдержа образцов без нагрузки в лабораторных условиях при нормальной температуре составила 15 лет (131500 часов), после чего часть из них перед циклическим нагружением прошла термоэкспозицию в течение 840 часов при +1200С в термостате конвективного теплообмена.

Анализ полученных результатов показал, что в исходном состоянии образцы типа V по долговечности в 1,63 раза превосходят долговечность образцов типа Т. Однако в результате 15-летней выдержки этот показатель у них стал одинаковым. Но долговечность образцов типа V упала в 1,79 раза, или на 44 %, а образцов типа Т снизилась на 8 %, или в 1,08 раза по

сравнению с исходными образцами. Относительные долговечности

N = N^/N0: N

= 0,56,

N 1 = 0,92.

Можно предположить, что резкое снижение долговечности образцов типа V через 15

лет связано с уменьшением осевого натяга за счет снижения усилия сжатия пакета (релаксации остаточных натягов в пакете) [3].

Остаточные напряжения сжатия со временем уменьшаются, релаксируют, но временной процесс длителен, поэтому для получения быстрой качественной оценки уровня снижения напряжений проведен эксперимент с форсированным моделированием процесса релаксации посредством предварительной выдержки образцов при повышенной температуре в течение определенного периода времени с последующими испытаниями на усталость.

Термоэкспозиция образцов была проведена после 15-летней выдержки в лабораторных условиях при нормальной температуре для оценки степени релаксации осевого натяга. Результаты испытаний образцов, выдержанных при +1200С в течение 840 часов, показывают, что долговечность образцов типа V снизилась на 28% - в 1,37 раза по сравнению с долговечностью исходных образцов с 15-летней выдержкой, а долговечность образцов типа Т не изменилась.

Учитывая, что при сборке образцов использованы болт-заклепки из стали 30ХГСА, а элементы пакета изготовлены из алюминиевого сплава Д16АТ, можно заключить, что основная доля снижения долговечности вследствие уменьшения осевого натяга обусловлена релаксацией усилия в стержне заклепки, а не в элементах пакета в зоне постановки крепежа.

Анализ результатов испытаний позволяет сделать вывод о преимуществе применения в качестве крепежа систему «болт-заклепка» с трапециевидной нарезкой, по сравнению с болт-заклепкой, выполненной с упорной нарезкой профиля стержня.

Библиографический список

1.Sathiya, S. Implication of unequal rivet load distribution in the failures and damage tolerant design of metal and composite civil aircraft riveted lap joints / S. Sathiya Naarayan, D.V.T.G. Pa-van Kumar, Satish Chandra // Engineering Failure Analysi., - 2009. - V. 16, Issue 7. - P. 22552273.

2.Кузнецов, А. А. Вероятностные характеристики прочности авиационных материалов и сортамента / А. А. Кузнецов, О. М. Алифанов, В. И. Ветров. - М. : Машиностроение, 1970. - 576 с.

3. Модели технологического рассеяния усталостной долговечности / А. Г. Колосов [и др.] // Прочность авиационных конструкций : тр. ЦАГИ. -1998. - Вып. 2631. - С. 38-50.