CC BY
60
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС
№ 130
УДК 621.193.013
ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ С КОРРОЗИОННЫМИ ПОРАЖЕНИЯМИ
ИЗ СПЛАВА МАРКИ 1163 АТВ
А.В. ЛАПАЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.
В статье исследованы характеристики усталостной долговечности образцов с коррозионными поражениями из сплава марки 1163 АТВ.
Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации воздушных судов (ВС) показывает, что их надежность в существенной степени снижается из-за усталостных повреждений элементов конструкции планера, вызванных коррозией [1, 2, 3]. Допустимость коррозионных повреждений определенного уровня является одним из критериев эксплуатации ВС. На этапе проектирования минимизация этого критерия обеспечивается за счет применения конструкционных материалов с высокой стойкостью к коррозионным поражениям, за счет конструктивных и технологических решений, за счет выбора соответствующего уровня эксплуатационных напряжений. В период эксплуатации - повышением эффективности методов диагностики и оценки технического состояния, разработкой соответствующих регламентов технического обслуживания, уточнением методов оценки предельных состояний конструкции с учетом анализа реальных условий эксплуатации.
Актуальность исследования объясняется необходимостью обеспечения безопасности конструкций длительно эксплуатируемых самолетов и обеспечением несущей способности конструкций проектируемых самолетов. При обеспечении безопасной эксплуатации самолетов с большим сроком службы решаются вопросы поддержания летной годности индивидуально для
каждого самолета, имеющего коррозионные повреждения. Для обоснования и оценки предельного состояния целесообразно использовать обобщенный параметр коррозионного повреждения. В эксплуатации воздушного судна допустимые размеры коррозионных повреждений ограничиваются по глубине и площади коррозионного поражения поверхности на типовом конструктивном элементе. На основе этих геометрических показателей в статье рассмотрен обобщенный параметр коррозионного поражения ¥'ид:
У'..д = ^---относительный объем коррозионного поражения,
где ¥.1д - объем коррозионного поражения в миллиметрах (размерная величина),
В - ширина образца, 1 - толщина образца (рис. 1).
Из опыта эксплуатации отечественных и зарубежных ВС выявлено, что наиболее часто коррозия возникает и распространяется на элементах конструкции фюзеляжа: обшивке, стрингерном наборе, шпангоутах, балках пола. Поражение коррозией чаще всего имеет геометрическую форму в виде кратера.
Изучение влияния локальных коррозионных поражений материала 1163 АТВ на его циклическую долговечность выполнено на лабораторных образцах. Образцы изготавливались из листа, вдоль проката. Испытания проводились на усталость при отнулевом цикле нагружения при
двух уровнях напряжений 1 и а^Х6'12 (а^Хдг 1 2). Вид бразда положение и
форма искусственного коррозионного поражения приведены на рис. 1.
Отверстия под захваты
В ходе обработки результатов эксперимента получены регрессионные зависимости между параметром коррозионного поражения У'.1д и относительным числом циклов нагружения до разрушения (рис 2). Там же указаны коэффициенты корреляции г исследуемых величин и 95%-я доверительная область каждой регрессионной зависимости [5, 6].
Данные зависимости позволяют построить кривые усталостной долговечности для интересующего размера коррозионного поражения, рассматриваемого типа и формы (рис. 3),
Рис. 1. Вид образца с искусственным коррозионным дефектом
"" ^
0 ^
' ^
^ -
----- ■ - - - _ п ~~ "
' 'Ч □
"о. Sigma! МПа: r = -0,96, LogiN/N^) = -2,98 - 1,609*LogV Ж Sigma2 МПа; r = -0,92 Log(N/N633) = -3,33-1,621*LogV'
-1,8
-1,5 -1,45 -1,4 -1,35 -1,3 -1,25 -1,2 -1,15 -1,1 -1,05
ЬодУ
Рис. 2. Эмпирические линии регрессии логарифмов параметра коррозионного поражения У'.{д, логарифма отношения числа циклов
N
а = f (X const = VL6
aag
Коррозионное поражение является концентратором напряжений в образце. Учет этого влияния на усталостные свойства материала оценивается эффективным коэффициентом концентрации напряжений К^б , который определяется как отношение циклических напряжений для образца без концентрации напряжений а0 к напряжениям для образца с концентратором напряжений а при равных базах испытаний,
к*=а
при а
абод д і
а
абод д і
и границы 95%-й доверительной области (штриховые линии) для материала 1163АТВ. Ыбаз - долговечность при базовом числе циклов нагружения
Кривые усталости аппроксимировались зависимостью [7]:
!§(% ) = С-m'lgS
/ aag
Таким образом, для оценки долговечности элемента конструкции с концентратором напряжений в виде коррозионного поражения может использоваться расчетная кривая усталости, которой соответствует параметр У'пд. Для материала 1163 АТВ определен
эффективный коэффициент концентрации напряжений для каждой кривой. Значения К^б указаны на рис 3.
В качестве эталонного образца была выбрана полоса с центральным отверстием. Относительно этого образца определялось значение К^д с коррозионным поражением на базе циклов Ыбаз.. Диаметр отверстия соответствовал соотношению B/d=6 (B - ширина образца, d - диаметр). На базе циклов Ыбаз = const по значениям У'ид и К^д построена эмпирическая зависимость и получена кривая для ее аппроксимации (рис. 4).
-0,4
-0,6
-0,8
-1
-1,2
-1,4
-1,6
1-Ю
а
Є 1-ю
£
а
ю
О
100
10
1-Ю
Базо вал ц, {Е ад
уі тш JUT И. ^ ■ -U,l ‘■кзф-
\
/
/
1 • г 4s prt?
-k
1.
к •••-
/ /
-- - - ч ч
■
>■%
с V -и эф.
d:V -о? и к Ф 14 48;
'v
-6,438;
0.01
0.1
N/Кбаз
10
N
Рис. 3. Диаграмма s = f (------), const = У'пд при от нулевом цикле нагружения для определения
Naag
К., относительно базовой кривой усталости образца с круговым свободным отверстием
(материал 1163 АТВ)
К*.
Рис. 4. Зависимость К^ от У'Ид для образцов из материала 1163АТВ с коррозионным дефектом на базе Кбаз циклов
Выводы
1. Получены характеристики усталостной долговечности для образцов из сплава марки 1163 АТВ с концентраторами напряжений в виде коррозионного поражения.
2. Определены эффективные коэффициенты концентрации напряжений в образцах из сплава марки 1163 АТВ с коррозионными дефектами по отношению к образцу с отверстием.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лапаев А.В., Шапкин В.С. Коррозионное поражение, как один из опасных дефектов транспортных конструкций // Тезисы докладов Региональной научно-практической конференции СГУПС 27-29 ноября 2002 г. - Новосибирск.: СГУПС, 2002.
2. Воронкин Н.Ф. Карлашов А.В., Гнатюк А.Д. Влияние предварительной коррозии на выносливость алюминиевого сплава Д16 // ФХММ, 1967, №3.
3. Карлашов А.В., Томников Ю.В., Коррозионно-усталостная прочность дуралюмина при наличии концентраторов напряжений // Физико-химическая механика материалов, 1965, №2.
4. Зубарев А.П., Лапаев А.В., Лапаев В.П. Использование обобщенного параметра коррозионного поражения для оценки долговечности элементов конструкций с коррозионными поражениями // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 119, 2007.
5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Высшая школа, 1998.
6. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний / Справочник. - М.: Машиностроение, 1985.
7. Лапаев А.В., Шапкин В.С., Денисов С.Б. Оценка долговечности элементов конструкции с коррозионными повреждениями расчетно-экспериментальным методом // Тезисы докладов Международной научнотехнической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества". -М.: МГТУ ГА, 2003.
ESTIMATION OF LONGEVITY AND LIMITING CONDITION OF ELEMENTS OF THE DESIGN WITH CORROSION DEFECTS FROM THE ALLOY OF 1163АТV
Lapaev A. V.
In the article are investigated the characteristics of the fatigue longevity of models with the corrosive defects from the alloy of the stamp of 1163ATV.
Сведения об авторе
Лапаев Артем Валерьевич, 1977 г.р., окончил НГТУ (2000), кандидат технических наук, начальник сектора ФГУП СибНИА им. С.А. Чаплыгина (г. Новосибирск), автор 20 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
