ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Нагруженность, напряженное состояние и безопасный ресурс элементов конструкции планера ВС из "Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций " Проектирование воздушных судов (ВС) гражданской авиации, как и других видов техники, основано на систематизации внешних нагрузок с их последующим использованием для определения ресурса или долговечности тех зон или элементов конструкции, которые наиболее нагружены. По ним может быть установлен минимальный срок эксплуатации или ресурс всей конструкции, начиная с которого весьма вероятно возникновение повреждения и даже разрушение наиболее нагруженных элементов конструкции. [c.26] Для определения статистических характеристик экстремальных значений внешних нагрузок могут быть использованы кривые интегральной повторяемости внешних воздействий или результаты непосредственных измерений экстремальных нагрузок, изменяющихся в зависимости от времени налета [1, 2]. Определение этих характеристик связано с решением задачи об эксплуатационных нагрузках как величинах экстремальных значений выборок, соответствующих отдельным ВС из генеральной совокупности с независимыми статистическими характеристиками. Объем этих выборок для ВС с одинаковой наработкой зависит от времени налета. [c.27] Получаемая информация о нагруженности ВС в целом интегрально характеризует его повреждаемость за некоторый интервал времени. Поэтому для выделения наиболее нагруженных зон конструкции рассматривают ее отдельные элементы и отдельные зоны, в которых достигается опережающее исчерпание долговечности по отношению к остальным зонам конструкции. Важно рассматривать представления о долговечности ВС по отдельным зонам элемента конструкции отдельно от узлов в целом, состоящим из нескольких элементов. [c.27] Предельное состояние может быть достигнуто по принципу прекращения функционирования системы в целом без достижения критического размера трещины в отдельном элементе конструкции. [c.27] Такая ситуация характерна для сосудов под давлением, когда нарушение их герметичности из-за сквозного прорастания усталостной трещины без полного разрушения детали приводит к падению давления в системе и прекращению передачи мощности на другие участки системы управления. Полного разрушения элемента нет, но потеря давления в системе приводит к нарушению ее функционирования и потере управляемости ВС. Возможные предельные размеры трещины не могут быть достигнуты в детали из-за снижения уровня нагрузки после нарушения герметичности и потери давления. [c.28] предельное состояние основного несущего элемента конструкции, конструктивного узла в целом и по его отдельным элементам может быть охарактеризовано различными критериями из-за различия в последствиях, к которым оно приводит. Вместе с тем, во всех случаях основополагающим является требование к обеспечению безопасности полетов. [c.28] Анализ и систематизация внешних нагрузок с последующей оценкой ресурса ВС или силовых элементов конструкции двигателя имеет конечной целью наиболее точную оценку возникающего напряженного состояния для оценки возможного предельного состояния с возникшей и развившейся трещиной. Предельное состояние по критерию зарождения трещины или по критерию достижения размера трещины, при котором реализуется быстрое неуправляемое окончательное разрушение элемента конструкции, достигается при напряженном состоянии элемента конструкции, оценка которого выполняется на основе различной информации. [c.28] Сопротивление усталости ВС в целом определяется нагрузками первого класса. Воздействие нагрузок второго класса определяет нагруженность локальных зон конструкции. В частности, вибрационные нагрузки типичны для лопаток ГТД. [c.28] Подстрочные индексы указывают направление внещней нормали к той площадке, к которой относится нормальное напряжение. Первый индекс касательных напряжений указывает направление их действия, а второй — направление внешней нормали к площадке, к которой приложено данное напряжение. На площадках, перпендикулярных к главным осям тензора (1.1), касательные напряжения отсутствуют, а нормальные напряжения являются главными и обозначаются Оз 02 Jj. [c.28] В произвольном сплошном теле без трещины могут быть реализованы три вида напряженно-де-формированного состояния (НДС) металла линейное (одноосное нагружение) плоское (двухосное нагружение) и объемное (трехосное нагружение). Разные варианты нагружения конструкции приводят к реализации только одного из указанных выше трех видов напряженного состояния материала — на удалении от поверхности детали. При этом нелинейному напряженному состоянию внутри твердого тела на гладкой поверхности всегда соответствует плоское напряженное состояние, поскольку отсутствует одна из компонент главных напряжений. [c.29] Применительно к усталости предложено использовать в качестве силового критерия достижения предельного состояния материала соотношение (Ру/Т .) [4]. Согласно этому критерию, разрушение наступает после того, как в одном из циклов нагружения достигнута предельная величина напряженного состояния, характеризуемая рассматриваемым соотношением. Охарактеризовав напряженное состояние основного несущего силового элемента конструкции, можно оценить затраты энергии на его разрушение путем определения объема пластически деформируемого материала, соответствующего этому напряженному состоянию независимо от способа или условий внешнего циклического нагружения (число и направление действия силовых факторов). [c.30] В расчетах на прочность и долговечность ВС принято считать, что основным конструктивным узлом планера, определяющим его ресурс (долговечность или период эксплуатации), является крыло [1, 2, 7, 8]. Проведение расчетов на ресурс применительно к регулярным зонам кг)нструкции крыла до звукового транспортного ВС в полете основано на рассмотрении преимущественно одноосного напряженного состояния материала. Вторая компонента нагрузок, присутствующая в наиболее нафуженных зонах, считается незначимой, и ею в расчетах на прочность и ресурс пренебрегают. После расчетов ее учитывают через запасы прочности. Использование метода конечных элементов принципиально меняет эту ситуацию. Напряженное состояние характеризуется в полном объеме с учетом всех компонент тензора напряжений (1.1). [c.30] Несмотря на различия собственных частот по всем тонам изгибных и крутильных колебаний, процессы изменения во времени нормальных и касательных напряжений имеют синфазный характер. Максимальный и минимальный уровень напряжений по каждому из двух рассматриваемых направлений совпадает в любой момент времени при полете ВС. Синфазное изменение касательных и нормальных напряжений — наиболее типичная ситуация с реализацией напряженного состояния в различных зонах крыла самолета и обшивки киля. Напряженное состояние крыла, по указанным выше зонам самолета Ил-18, характеризуется следующим диапазоном изменения главных напряжений Oi и 02 в типовом полете И МПа Oi 90 МПа -95 МПа Оз 4 МПа -1,8 0i/02 = К 1,5. [c.30] Изменение доли энергии при переходе с одной частоты нагружения на другую независимо от наличия и интенсивности других составляющих процесса происходит в том же отношении, в каком изменяется спектральная плотность процесса нагружения при переходе на частоту с сохранением средней использованной долговечности. Изложенный подход в течение длительного времени использовался в расчетах. Однако оказалось, что в ряде слз аев имеет место существенное расхождение долговечности конструкций в эксплуатации и моделируемой по указанному подходу. В первую очередь это связано с тем, что изменение последовательности действия нагрузок на материал приводит к изменению затрат энергии на преодоление пограничных ситуаций, возникающих в материале при переходе от одной нагрузки к другой (или, что то же, от одной частоты нагружения к другой). В результате этого возникла необходимость введения новых подходов к оценке ресурса ВС, в том числе с учетом возможного возникновения в них усталостных трещин. [c.38] Вернуться к основной статье