CC BY
16
УДК 629.7.02
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЖЕСТКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НЕОДНОРОДНОГО СОСТАВА
А.А. Зотов, А.В. Бабайцев
Исследуется применение технологии сварки лазерным лучом элементов сварных конструкций неоднородного состава на примере стрингера и обшивки летательного аппарата. Представлены результаты ресурсных испытаний вдоль и поперек сварного шва. В работе исследуются четыре варианта: 1) обшивка выполнена из сплава 2024 с приклепанными стрингерами из сплава 2024; 2) сварная конструкция, то есть и обшивка и стрингер изготовлены из свариваемого сплава; 3) стрингер, состоящий из основания (полки) стрингера из свариваемого сплава, и фланца - из высокопрочного сплава, приклеенного к основанию (полки) перед сваркой; 4) стрингер, сделанный из свариваемого алюминиевого сплава, где в основании (полки) стрингера включен стальной сердечник. Проведены сравнительные расчеты несущей способности при изгибе двух балок c прямоугольным сечением, одна из которых имеет однородное сечение из сплава 2024, вторая имеет в нижней части область (10 % от высоты) из свариваемого сплава 6013, а остальная часть также выполнена из сплава 2024. Расчет проводился с использованием ступенчатых функций и балочной теории. Предлагаемый алгоритм, основанный на применении ступенчатой аппроксимации, позволяет получить компактные аналитические соотношения для расчета конструкций с комбинированным сечением произвольной конфигурации.
Ключевые слова: сварные конструкции, сварка лазерным лучом, прочность, предел прочности, стрингер, ступенчатой аппроксимации, комбинированные сечения.
Сварка лазерным лучом - одна из наиболее многообещающих технологий сварки для применения в аэрокосмической индустрии. Основное преимущество использование подобной технологии, является уменьшение стоимости производства и небольшое уменьшение веса. Эта технология наиболее эффективна для сварки Т-образных соединений, к примеру, соединение стрингера к обшивке.
Впервые применений лазерной сварки использовалось на первичной конструкции коммерческого транспортного самолета, для соединения нижней и боковые оболочки фюзеляжа (рис. 1) [1]. Однако до настоящего времени применение сварной конструкции во всех областях герметического фюзеляжа не целесообразно, из-за ограниченной остаточной прочности монолитной конструкции. В областях сварки эксплуатационные напряжения растяжения (в направлении стрингера) довольно низки, так как нижние и боковые оболочки нагружаются главным образом сжатием.
Результаты ресурсных испытаний сварных образцов показали следующие усталостные характеристики:
Нагрузка в направлении сварного шва
6max= 100 МПа, R = 0.1 ^ Ксредн > 500000 циклов.
Нагрузка в направлении, перпендикулярном к линии сварного шва, 6max= 100 МПа, R = 0.1 ^ Ксредн > 130000 циклов.
Чтобы расширять область применения лазерной сварки для соединения стрингера к обшивке, необходимо увеличить характеристики остаточной прочности монолитной конструкции. Увеличение остаточной прочности стрингеров без сокращения допустимых напряжения обшивки является одной из ключевой задачей данного исследования. Полученные новые стрингеры также увеличили бы прочность на растяжение и сжатие. Первые результаты испытаний на остаточную прочность простых образцов, состоящих из плоской панели с двумя стрингерами, показаны на рис. 2 [2].
491
фиксатор стрингера
направление шва сварки
податливое опорное приспособление
Рис. 1. Лазерная сварка обшивки и стрингера
Рис. 2. Усовершенствованная конструкция стрингера для лазерной сварки
Для интерпретации результатов испытаний определены две различные компоновки. Первая - исходный проект, то есть обшивка выполнена из сплава 2024 с приклепанными стрингерами из 2024. Второй вариант - сварная конструкция, то есть и обшивка и стрингер изготовлены из свариваемого сплава. Далее исследуются два улучшенных варианта стрингер. Первый вариант - это стрингер состоящий из двух частей, основание (полка) стрингера из свариваемого сплава и фланец - из высокопрочного сплава, приклеенный к основанию (полке) перед сваркой. Второй вариант - стрингер, сделанный из свариваемого алюминиевого сплава, где в основание (полку) стрингера включен стальной сердечник. Оба последних типа стрингера были приварены к обшивке из свариваемого сплава. Оба новых варианта стрингера показывают существенное улучшение остаточной прочности по сравнении со сварным базовым стрингером, однако остаточная прочность все еще ниже, чем у клепанных базовых стрингеров.
В настоящее время ведется разработка оптимальной конструкции стрингеров повышенной живучести, что позволит значительно повысить интерес производителей авиационно-космической, а также других видов техники к применению сварных панелей данного типа. Следует отметить, что эффективность применения комбинированных стрингеров (но другой конфигурации) с включением элементов из другого материала с целью повышения жесткости при работе на устойчивость при сжатии была доказана еще ранее [4]. Совместное использование этих двух типов комбинированных стрингеров, при использовании существующих высокоскоростных установок для автоматической лазерной сварки открывает путь к производству цельносварных оболочек, оптимальных по показателям живучести и устойчивости, а так же качества сварного шва при одновременном снижении производственных затрат и веса конструкции.
Разработанные в последнее время новые технологии изготовления прессованных профилей неоднородного состава по площади поперечного сечения открывают новые возможности для повышения жесткости и статической прочности подкрепленных панелей, изготовленных с применением лазерной сварки.
Как известно, свариваемые алюминиевые сплавы обладают более низкой прочностью и жесткостью по сравнению с традиционными (табл. 1).
Таблица 1
Сравнение свойств настоящих и новых усовершенствованных материалов
Механические характеристики 2024ТЗ 2524ТЗ 6013Т6 6013Т62
ов (МПа) 435 435 360 350
оо,2 (МПа) 325 325 325 310
Модуль Юнга (МПа) 72 400 72 400 68 300 68 300
р (г/см3) 2.80 2.80 2.71 2.71
Коррозионная устойчивость основн. та же та же / хуже та же / хуже
В то же время непосредственная зона сварки лазерным лучом составляет не более 5... 7 % высоты стрингера (рис. 3).
Рис. 3. Зона сварного шва
Остальная часть сечения профиля может быть выполнена из более жесткого и высокопрочного сплава. Тем самым, жесткостные характеристики полученного неоднородного сечения будут лишь незначительно отличаться от характеристик профиля полностью выполненного из традиционного не сварного сплава. Более этого, жесткость верхней полки профиля (рис. 3), увеличиваемая обычно с помощью бульбы, также может быть увеличена путем местного увеличения модуля упругости, изменяя состав материала бульбы или всей верхней полки стрингера.
Проведем сравнительный расчет несущей способности при изгибе двух балок с прямоугольным сечением, одна из которых имеет однородное сечение из сплава 2024, а вторая имеет в нижней части (0 - Щ) область (10% от высоты) из свариваемого сплава 6013, а остальная часть (Щ - Ш) - также выполнена из сплава 2024. Расчет несущей способности будем проводить по балочной теории, полагая, что в линейной постановке для данной модели применение гипотезы плоских сечений вполне допустимо.
М = Р1 V"
1Ппред •
Очевидно, что при одинаковой кривизне обеих балок, несущая способность зависит от изгибной жесткости, которая, в свою очередь связана с распределением свойств материала (в данном случае - модуля Е) по высоте сечения.
Определим изгибную жесткость заданного неоднородного сечения
_ /• -ч 9 1 1 /л гН-1 9 1 . т-, Г Н?
Е1Х = Ь0 /н"2 Е(у)у2с1у = Ь(Е6013 /0П1 у2с1у + Е2024 /н 2 У2с1у)
= Ь
но Еб013 = 0.945 Е2024
Н?
Еб013 + Е2024
Н
= Ь^[Е601з0.001 + Е2024(1
0.001)].
Следовательно,
н2Т7 с Л П ПП1Л _ и Н|Е2О24 0.999945
Е1Х=Ь^Е2024(1 - 0.001) =Ь- 3
Как видно, внесение 10% свариваемого материала практически никак не отразилось на изгибной жесткости профиля, состав остальной части, которой соответствует сплаву 2024. Профиль же целиком выполненный из сплава 6013 имеет жесткость на 5.66 % ниже.
В общем случае, в зависимости от поставленной задачи закон изменения жесткости по высоте и ширине сечения может быть весьма сложным.
Аналитическое выражение для определения изгибной жесткости в сечении балки произвольной формы и состава можно получить воспользовавшись аппаратом ступенчатых функций [3], условно разбив область, занимаемую сечением на участки с различным шагом в двух направлениях, в соответствии с особенностями геометрии и состава. Число разбиений по оси х равно 14, число разбиений по оси у равно М (рис. 4).
Рис. 4. Пример построения расчетной модели
Ступенчатая функция ^ (у) имеет вид:
Г0, если у < у;;
Л} (у) ] г> если У] < У ^ У] + 1;
(^0, если у > ^ + 1. Модуль упругости в клетке с номерами 1 и ] обозначим Еу (в клетках выходящих за пределы профиля сечения Еу =0).
Функция для задания модуля упругости по всей площади сечения профиля, в этом случае, примет вид:
I ]
Получаем теперь функцию изгибной жесткости Е1х:
Е1Х = У У Ец [ (х) ёх [ А,- (у) у2с1у =
/у 1
I ]
где В - ширина области занимаемой сечением профиля; Н - высота профиля,
^¿00 = I ^ (х)ёх,С2^(х) = I ^¿(х)с1х, £3^(х) = I ^¿(х)с1х
(по оси у - аналогично).
Значения интегралов 1л/Н), (Н), Ь/Н) можно записать в виде таблицы
(табл. 2).
Таблица 2
Значения интегралов tij(H), t2j(H), t3j(H)_
№ п/п Функция Н > yj+1
1 t1,(H) Ay, *
2 t2,(H) Ayj2/2 + (H - y,+1) Ay,
3 t3,(H) Ay,3/6 +(H - yj+1) Ay,2/2 + (H - yj+1)2 Ay,/2
* Ayj = yj+1 " yj
Опыт применения лазерной сварки при производстве авиационной и ракетно-космической техники показывает ее высокую экономическую эффективность. Однако, как показано выше, широкое применение сварных конструкций ограничивается из-за ограниченной остаточной прочности монолитной конструкции. Разработанные в настоящее время технологии изготовления прессованных профилей неоднородного состава по площади поперечного сечения открывают новые возможности для повышения жесткости и статической прочности подкрепленных панелей, изготовленных с применением лазерной сварки.
При этом возникает необходимость определения жесткости и несущей способности этих конструкций с учетом применения в сечении различных материалов и связанных с этим изменений геометрической формы и размеров сечения профилей.
Предлагаемый алгоритм, основанный на применении ступенчатой аппроксимации, позволяет получить компактные аналитические соотношения для расчета конструкций с комбинированным сечением произвольной конфигурации.
Список литературы
1. Schmidt H.-J. Development of stringers for damage tolerance integral structures. EADS Airbus Technology Seminar. «Advanced Fuselage Design». Hamburg, 2001.
2. Зотов А.А. Методы оценки и прогнозирования долговечности авиационных конструкций из новых материалов. Научно-технический отчет по теме: Разработка теории и методов расчета аэро-космических конструкций из КМ сложной структуры. М., 2005.
3. Зотов А.А. Автоматизированный расчет на прочность и устойчивость конструкций летательных аппаратов. М. Изд.МАИ. 1992.
4. Бабайцев А.В., Зотов А.А. Проектирование и расчет прессованных профилей неоднородного состава // «Технология металлов», 2018. № 10.
Бабайцев Арсений Владимирович, младший научный сотрудник, Ar7eny-f_i@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (НИУ),
Зотов Анатолий Александрович, д-р техн. наук, профессор, aa-zotov@inbox.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (НИУ)
DESIGN AND CALCULATION OF THE STIFFNESS OF ELEMENTS OF WELDED STRUCTURES OF HETEROGENEOUS COMPOSITION
A. V. Babaytsev, A.A. Zotov
The studied applications of laser welding technology. The results of life tests along and across the weld are presented. The paper explores four options: 1) the plating is made of alloy 2024 with riveted stringers of 2024; 2) welded construction, that is, the plating and stringer are made of weldable alloy; 3) a stringer consisting of the base (shelf) of the stringer of the alloy being welded and the flange - of high-strength alloy glued to the base (shelf) before welding; 4) a stringer made of a welded aluminum alloy, where the steel core is turned on at the base (shelf) of the stringer. Comparative calculations of the carrying capacity of two
beams with a rectangular section, one of which has a uniform cross section of alloy 2024, the second in the lower part of the area (10% of height) of the welded alloy 6013, and the rest also made of alloy 2024. The calculation was carried out using step functions and beam theory. The proposed algorithm, based on the use of stepwise approximation, makes it possible to obtain compact analytical relations for the calculation of structures with a combined cross section of an arbitrary configuration.
Key words: welded structures, laser beam welding, strength, tensile strength, stringer, step approximation, combined sections
Babaytsev Arseniy Vladimirovich, researcher, Ar7eny-f iamail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Zotov Anatoly Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, aa-zotovainbox.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute
УДК 634.377
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ И ЧУГУНА В ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ИСТ-0,4/0,32 И ИНДУКЦИОННОЙ ТИРИСТОРНОЙ УИ-0,5Т-400 ЭЛЕКТРОПЕЧАХ
Л.Г. Саранин, П.И. Маленко, С.К. Захаров, Д.Б. Белов, О.В. Костыгова
Представлены результаты сравнительного анализа работы используемых для выплавки чугунов и сталей двух видов электропечей: индукционной тигельной ИСТ-0,4/0,32 и индукционной тиристорной УИ-0,5Т-400. Произведена оценка технических характеристик электропечей и показано преимущество электропечи УИ-0,5Т-400 по сравнению с электропечью ИСТ-0,4/0,32. Исследование проведено в условиях литейного цеха ООО "ЛИНКПРОМОБОРУДОВАНИЕ".
Ключевые слова: индукционная тигельная электропечь; магнитное поле; шихта; электронный контур; тиристорный преобразователь; тигель.
На сегодняшний день рынок металлопродукции предъявляет ряд жестких требований, как к служебным свойствам черных сплавов, так и к себестоимости их получения. Значительную долю рынка занимают детали механизмов и изделия из конструкционных чугунов и углеродистых качественных сталей [1].
В настоящее время на территории РФ и стран ближнего зарубежья происходит накопление легковесного и стального лома, который затруднительно перерабатывать на высококачественные сплавы с использованием классических металлургических схем. Выход из сложившейся ситуации возможен в создании ряда предприятий с неполным рабочим металлургическим циклом. Главными плавильными агрегатами таких "мини-заводов" стали индукционные сталеплавильные печи, которые способны работать полностью на твердой металлошихте [2].
Одной из главных проблем технологий выплавки высококачественных сплавов в индукционных печах являются конструктивные ограничения возможности проведения активных металлургических операций, что в ряде случаев усугубляется наследственным влиянием качества шихтовых материалов, которое до настоящего времени не регламентируется технологическими инструкциями.
496
