CC BY
44
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 629.7.017.1
МЕТОДИКА И ПРОГРАММЫ РАСЧЕТОВ ПЕРИОДА ЖИВУЧЕСТИ ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ НЕКОТОРЫХ ТИПОВЫХ НЕРЕГУЛЯРНЫХ ПОВТОРНО-СТАТИСТИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ НАГРУЖЕНИЯ
Е.Н. КОПЫРИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Никоновым В.В.
Методика и пакет программ предназначены для инженерных оценок скорости роста усталостных трещин и расчета периода живучести тонкостенных элементов конструкций, в том числе и элементов авиаконструкций.
Ключевые слова: скорость роста усталостных трещин, период живучести, тонкостенные конструкции.
Методы решения. Область применения
Специфика ответственных силовых элементов конструкций, заключающаяся, например, в невозможности использования принципов резервирования, повышенные требования к надежности и безотказности полетов, ограниченность информации о повреждениях требуют применения для задач оценки характеристик живучести вероятностно-статистических методов расчета, базирующихся на физических представлениях о развитии повреждений в конструкции. Создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти, а также электрогидравлических машин и стендов, управляемых с помощью ЭВМ, позволяет эффективно решить вопрос об основных закономерностях развития усталостных трещин и оценке несущей способности конструктивных элементов при различных условиях нагружения с привлечением численных методов и методов имитационного моделирования. Основой для применения численных методов прогнозирования характеристик живучести элементов конструкций служит то обстоятельство, что напряженное состояние элемента конструкции с усталостной трещиной и развитие усталостной трещины контролируется, главным образом, размахом коэффициента интенсивности напряжений, который является параметром асимптотического распределения упругих напряжений в окрестности вершины трещины. Возможность прогнозирования процесса усталостного разрушения обусловлена рядом достижений в области механики разрушения и развитием численных методов определения напряженно-деформированного состояния поврежденных элементов различной геометрической конфигурации, которые и используются в настоящей методике и пакете программ.
Реализованный в пакете программ способ расчетов заключается в выполнении следующих действий:
• выбор конфигурации и схемы нагружения образца, имитирующих рассчитываемый элемент конструкции;
• выбор вида нагружения, имитирующего эксплуатационные нагрузки;
• расчет коэффициентов интенсивности напряжений;
• выбор модели развития усталостной трещины;
• определение параметров модели и механических характеристик всех компонентов натурного элемента;
• расчет периода живучести и вывод результатов на экран и печать.
Выбор образца, имитирующего натурный элемент, производится пользователем с учетом конструктивного оформления и типа напряженно-деформированного состояния, рассчитываемого конструктивного элемента. Как правило, реальные трещиноопасные зоны машиностроительных конструкций можно свести к ограниченному числу типовых элементов.
Классификация трещиноопасных зон планера самолета:
1. По типу напряженного состояния:
а) сложное (объемное) напряженное состояние (фитинги, гребенки и другие стыковочные узлы);
б) плоское напряженное состояние, чаще всего с превалированием о1 (большая часть остальных зон).
2. По конструктивному оформлению:
а) перестыковка стрингеров и поперечные стыки панелей через фитинги и внахлестку;
б) трещины в регулярной зоне панелей (вдали от края панелей или начинающиеся вблизи края или продольного стыка панелей);
в) трещины в зоне гермошпангоута;
г) трещины в поясах лонжеронов и нервюр, в поясах рам, соединительных шарнирах и стыковочных узлах;
д) трещины в нерегулярных зонах.
Трещины в нерегулярных зонах:
д1 - трещины в зоне приклепанной накладки;
д2 - трещины в зоне усиленных и неусиленных отверстий;
д3 - трещины в зоне «языков», ступенчатых изменений жесткости;
д4 - начальная стадия развития трещины в зоне отверстий перелива топлива;
д5 - трещины в стенках лонжеронов и нервюр, начинающиеся непосредственно в зоне лонжерона, и другие, выходящие на край панели трещины при сложном неоднородном поле напряжений.
Поэтому можно считать, что реальные конструктивные элементы имитируются некоторым набором образцов и схем нагружения. Настоящий пакет программ включает в себя справочник, содержащий типовые образцы и схемы нагружения. Справочник расширяем. Это позволяет пользователю наращивать систему под необходимый класс решаемых задач.
Что касается выбора нагружения, имитирующего эксплуатационные нагрузки, то в пакет включены следующие виды нагружения:
• регулярное (синусоидальное) нагружение;
• блок-программное нагружение, сформированное в соответствии с рекомендациями ГОСТ 25.507-85;
• блок-программное нагружение, измеряемое в ресурсных испытаниях элементов авиаконструкций (нагружение «типовой полет» и типа «TWIST»);
• случайное нагружение.
Метод расчета коэффициентов интенсивности напряжений (размаха коэффициентов интенсивности напряжений) зависит от геометрии схемы нагружения конструкционного элемента. Для простых случаев, например, для образца в виде пластины с отверстием под заклепку, такой расчет выполняется аналитически: часто при использовании аналитических методов переменной функции напряжений Эри, Вестергаарда, Мусхелишвили-Колосова. Для трещин в бесконечно упругой плоскости, расположенных вдоль одной прямой или вдоль окружности, в замкнутой форме получены коэффициенты интенсивности напряжений для следующих схем нагружения:
• на трещинах произвольно заданы касательная и нормальная нагрузки;
• на трещинах заданы произвольные смещения;
• на одном берегу трещины заданы смещения, а на другом нагрузки;
• участки с произвольно заданными смещениями или нагрузками чередуются вдоль краев трещины;
• края трещины взаимодействуют, причем касательные напряжения взаимодействия произвольным образцом зависят от нормального давления.
Эти и другие расчетные случаи включены в пакет в виде справочника, содержащего аналитические соотношения для расчетов коэффициентов интенсивности напряжений. Справочник также расширяем.
Аналитические решения возможны для относительно простых частных случаев. Для расчета элементов конструкций со сложной геометрией и условиями нагружения обычно применяются численные методы. Среди численных методов задач о трещинах распространение получили методы конечных элементов и граничных интегральных уравнений, позволяющие проводить расчеты КИН для широкого класса элементов конструкций. С целью обеспечения возможности использования результатов, полученных численными методами, в пакете программ предусмотрено табличное задание зависимостей коэффициента интенсивности напряжений от длины трещины.
Непосредственный расчет живучести может проводиться с использованием как линейных, так и нелинейных моделей развития усталостных трещин. При выборе параметров модели предусматривается возможность обращения к справочным данным по конкретному материалу.
Расчет длительности роста усталостных трещин производится методом поциклового счета либо непосредственно интегрированием в зависимости от вида эксплуатационного нагружения.
METHOD AND PROGRAM PAYMENTS PERIOD VITALITY THINWALLED COMPONENT MODEL FOR SOME IRREGULAR AGAIN-LOADING STATISTICS REGIMES
Kopyrin E.N.
Method and the software package are intended for engineering estimations calculation of growth rate fatigue cracks and the period of survivability of thin-walled elements designs, including elements of aviadesigns. Results can be used for forecasting of periodicity of fault detection of elements of designs.
Key words: engineering estimations calculation, fatigue cracks.
Сведения об авторах
Копырин Евгений Николаевич, 1985 г.р., окончил МГУПИ (2006), аспирант кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, область научных интересов - повреждаемость, живучесть и надежность авиационных конструкций.
