Методы испытаний на усталость крупногабаритных конструкций с использованием резонансных режимов

Проблема сопротивления усталости для современных машин, летательных аппаратов, транспортных средств, энергетического оборудования по-прежнему актуальна. Усталость во многом определяет назначенный ресурс конструкции, являющийся одним из основных технико-экономических показателей.

Подтверждение ресурса в ходе опытной эксплуатации в большинстве случаев неприемлемо и по соображениям безопасности и с экономической точки зрения, поскольку существенно увеличивает сроки доведения конструкции до стадии промышленного продукта и тем длительно омертвляет капитал и увеличивает сроки окупаемости.

При современном уровне знаний в области усталости лабораторные испытания являются наиболее эффективным средством для выявления слабых участков конструкции и установления назначенного ресурса [64]. Поэтому ресурс конструкции устанавливают на основании лабораторных испытаний [19, 32,39,40,41,64]. Испытания на усталость последовательно проводятся на образцах материалов, на элементах конструкций с деталями, создающими концентрацию напряжений, и на заключительном этапе на целых конструкциях. Часто испытаниям подвергаются только отдельные законченные части конструкций, прочность и сопротивление усталости которых являются определяющими [39]. Такими частями для самолётов и ракет в первую очередь являются крылья и оперение, шасси, узлы и устройства подвески грузов, воздушные винтыдля вертолётов — лопасти и валы воздушных винтов, шасси и узлы подвески грузовдля ветроэнергетических установок — лопасти и ступицы ветроколёс.

Испытания на усталость законченных конструкций проводятся путём моделирования в лабораторных условиях внешних воздействий, в той или иной степени отражающих условия эксплуатации. Испытания проводятся либо в режиме резонанса испытуемой конструкции, либо при вынужденном возбуждении на частотах, далёких от резонанса.

Известны достижения ЦАГИ и СибНИА в проведении испытаний самолётов при высоком уровне повторяющихся нагрузок[39]. Внешние нагрузки при этом воспроизводятся максимально близко к реальным по характеру, величине и частоте. Такие испытания чрезвычайно сложны, дорогостоящи и трудоёмки.

Для вертолётов, подвергающихся длительному, интенсивному вибрационному нагружению, определяющей является многоцикловая усталость. ПоN этому основным методом лабораторных испытаний на усталость вертолёта являются вибрационные испытания частей конструкции, наиболее подверженных вибрациям и, прежде всего, лопастей воздушных винтов на резонансных частотах [26,40,41].

Испытания конструкций гармонической вибрацией на резонансных частотах является разновидностью испытаний на усталость с одноступенчатым или блочным нагружением [19,25,26,39]. Частоты испытаний назначаются исходя из предварительных расчётов собственных частот испытуемого объекта, либо после экспериментального определения резонансных частот конструкции при малых силах возбуждения [25,58]. Методы расчётов собственных частот типовых конструкций содержатся во многих монографиях [2,15,29,59,62]. Они трудоёмки и требуют большого числа исходных данных, что не всегда приемлемо для экспериментатора. Методы, техника и способы частотных испытаний, при которых определяются частотные характеристики сложных конструкций, также хорошо разработаны [15,19,38,58].

Испытания на усталость гармонической вибрацией применимы для конструкций, усталость которых определяется в основном каким-либо одним видом нагрузок, и в случае, когда реальный характер нагрузок может не учитываться, а оценка сопротивления усталости ведётся с использованием сопоставления уровней напряжений или деформаций.

Для лопастей воздушных винтов, являющихся в широком смысле балками, наибольшие переменные напряжения возникают от изгиба в плоскости взмаха. Переменные нормальные напряжения от изгиба в плоскости вращения и касательные напряжения от крутильных деформаций являются относительно малыми. Поэтому при испытаниях на усталость в лабораторных условиях влиянием этих напряжений обычно пренебрегают и лопасти испытываются на изгиб в плоскости взмаха [26,40,41].

Лопасти воздушных винтов самолётов испытываются целиком. Относительно более крупные лопасти винтов вертолётов, как правило, целиком не испытываются. Поскольку сопротивление усталости лопастей несущих винтов вертолётов во многом определяется конструкцией основного силового элемента лопасти — лонжерона, то испытываются «обычно отдельные участки лонжерона с деталями каркаса, создающими концентрацию напряжений в лонжероне. Длину образцов выбирают таким образом, чтобы собственные частоты изгиб-ных колебаний укладывались в рабочий диапазон частот вибратора. Испытания лопасти в целом, а не отдельных коротких образцов, как правило, не проводятся ввиду большой сложности стендов, которые для этого требуются, а также из-за значительной продолжительности испытаний, так как частота колебаний в этом случае не может быть больше 5−7 Гц» [40]. Сложность стендов возрастает с увеличением размеров и массы объектов испытаний и интенсивности их на-гружения. Испытания образцов почти всегда проводят на резонансных стендах с возбуждением от механического вибратора, устанавливаемого на образце [40,41,55]. Замена испытаний конструкций целиком на испытания отдельных её участков допустима «если масса или габаритные размеры готовых изделий не позволяют проводить испытания на существующем оборудовании и после изготовления они не могут быть разделены на отдельные блоки (узлы)» [24]. Однако, только при испытаниях целой конструкции «могут быть отработаны элементы, усталостная прочность которых определяется технологией изготовления и сборки конструкции», учтены изменения условий нагружения элементов статически неопределимых конструкций в процессе их циклического нагружения и разрушения. «Установлено, что в статически неопределимых конструкциях месторасположение наиболее критических в отношении усталостной прочности компонент зависит от цикла нагружения.» «Даже незначительное изменение конструкции может существенно повлиять на усталостную долговечность». «На усталостную прочность основной конструкции. может оказать влияние отсутствие или наличие отдельных участков.» [64]. Условия нагружения отдельных элементов конструкции в составе всей конструкции обычно несколько отличаются от условий нагружения отдельных элементов. Учитывая исключительную сложность процессов постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений невозможно полагаться только на расчётно-экспериментальные методы и результаты испытаний элементов конструкции. Испытания на усталость целых конструкций представляют собой единственный практический способ определения характеристик сопротивления усталости [26,39,64]. При значительной продолжительности циклического эксплуатаци.

О Q онного нагружения (10 -МО и более циклов) проведение этих испытаний на форсированных режимах вибрации и резонансных частотах наиболее приемлемо.

Известны вибрационные испытания на усталость небольших и относительно жёстких лопастей турбомашин целиком [51,52]. При этих испытаниях лопасти нагружались до разрушения знакопеременными силами инерции при вынужденных колебаниях на резонансных частотах. Лопасть при этом могла быть закреплена на плите или установлена в составе вентколеса на вибростенде. В последнем случае вентколесо могло быть вывешено для разгрузки вибростенда. Этот способ достаточно эффективен применительно к небольшим конструкциям типа лопастей воздушных винтов самолётов или колёс осевых вентиляторов, поскольку обеспечивается вибраторами малой мощности. Резонансные частоты таких лопастей достаточно велики, что позволяет быстро реализовать необходимое число циклов. Применение данного способа к крупногабаритным конструкциям, имеющим низкие собственные частоты, циклическая.

О Q долговечность которых должна составлять 10 10 циклов, требует наличия мощных вибровозбудителей с большими ходами и амплитудами толкающей силы на низких частотах.

Испытания на усталость крупногабаритных конструкций при циклическом нагружении целесообразно проводить на форсированном уровне нагрузок в пределах многоцикловой усталости. Форсированный уровень нагружения вызывает в конструкции повреждения, примерно эквивалентные повреждениям, вызываемым всей совокупностью действующих на конструкцию повторных эксплуатационных нагрузок. «Усталостные трещины при испытаниях на нагрузки большой постоянной амплитуды хорошо совпадают с участками расположения трещин, которые образовались под действием случайно чередующихся и ступенчато изменяющихся нагрузок» [26, 64]. Кроме того, форсированный режим позволяет существенно сократить продолжительность испытаний. При о Q резонансной частоте порядка 5 Гц и базе испытаний 10 +10 циклов продолжительность нормальных испытаний составляет от 8 месяцев до 7 лет в непрерывном 24 часовом ежесуточном режиме. Испытания на форсированных уровнях нагружения увеличивают требования к мощности вибровозбудиттелей. В то же время, увеличение размеров сооружений «заставляет предъявлять более строгие требования к надёжности конструкции» [63].

В силу этого разработка эффективного инженерно реализуемого метода ускоренных испытаний на усталость крупных конструкций балочного типа является актуальной задачей. Задача может быть сформулирована следующим образом: разработать метод испытаний на усталость крупногабаритных балочных конструкций, позволяющий максимально сократить продолжительность лабораторных испытаний и воспроизводить заданный уровень нагружения силовым вибровозбудителем с ограниченным ходом и сравнительно небольшой мощности или получать имеющимся вибровозбудителем максимально возможный уровень нагружения испытуемой конструкции.

Конструкции воздушных винтов летательных аппаратов и ветроколёс ветроэнергетических установок состоят из нескольких (и) нагружаемых в плоскостях вращения и взмаха переменными нагрузками лопастей-балок и центрального тела (центральных узловых деталей, ступицы), объединяющего эти балки.

Ступица я-лопастного винта представляет собой симметричную относительно оси вращения конструкцию с угловым шагом А<�р=2к/п. От каждой лопасти на ступицу приходят переменные сосредоточенные силы — радиальные, осевые (параллельные оси вращения), тангенциальные (касательные к внешнему ободу ступицы) и моменты — изгибающие в плоскости и из плоскости вращения и скручивающие. Приходящие с разных лопастей нагрузки различны, а их соотношения между собой переменны. Каждая из нагрузок создаёт в ступице своё поле напряжений и деформаций, а суммарное поле является случайным по времени и координатам. Воспроизвести в лабораторных условиях такое реальное нагружение является практически невыполнимой задачей.

Поэтому для осесимметричных конструкций, нагруженных переменными сосредоточенными параллельными и перпендикулярными к оси вращения силами и моментами актуальна задача разработки единого расчётно-экспериментального метода определения характеристик сопротивления усталости. Этот метод должен основываться не на создании в лабораторных условиях нагружения, эквивалентного эксплуатационному, а на сравнении напряжённо-деформированных состояний и циклической долговечности конструкции при расчётном эксплуатационном и условном экспериментальном нагружениях.

Таким образом, целями и диссертационной работы являются: -разработка метода ускоренных испытаний на усталость крупногабаритных конструкций балочного типа, позволяющего воспроизводить заданный уровень нагружения силовым вибровозбудителем небольшой мощности и создавать имеющимся вибровозбудителем значительный уровень нагружения- -разработка методики расчётно-экспериментального определения напряжённо-деформированных состояний и оценки циклической долговечности осесимметричных конструкций, нагруженных переменными сосредоточенными, параллельными и перпендикулярными к оси симметрии силами и моментами, -разработка экспериментального метода моделирования сложного нагружения осесимметричных конструкций силами и моментами, параллельными оси симметрии и действующими в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии.

выводы.

1.Получены аналитические зависимости, связывающие амплитуды изгибающих моментов, динамические характеристики балочных конструкций, мощность вибровозбудителей и координаты соединения вибровозбудителя на конструкции, позволяющие для достижения на резонансе заданных изгибающих моментов использовать вибровозбудители минимальной мощности и (или) получать для каждой пары «конструкция — вибровозбудитель» максимально возможный уровень нагружения.

2.Получены оценочные соотношения для расчёта динамических характеристик изгибных колебаний первого тона и оперативного выбора средств возбуждения для испытаний на усталость свободных и консольных балок с линейным распределёнием масс по длине с использованием резонансных режимов.

3.Разработан метод испытаний на усталость конструкций с использованием резонансных режимов, реализованный на трёх различных конструкциях балочного типа.

4.Разработан и реализован метод ускорения испытаний консольных балок путём увеличения частот резонансных колебаний, включающий приложение к испытуемой конструкции растягивающего усилия и (или) укорочение конструкции за счёт слабо загруженной концевой части. Метод обеспечивает наиболее полное воспроизведение эпюр моментов и комбинированное нагру-жение конструкции гармоническими изгибающим и крутящим моментами и постоянной растягивающей (центробежной) силой.

5.Разработан и доведён до практического применения метод испытаний на усталость консольных балочных конструкций путём возбуждения колебаний незакреплённых конструкций и нагружения их самоуравновешенными при резонансе силами инерции. Метод реализован при испытаниях лонжерона лопасти ветроколеса ветроэнергетической установоки мощностью 1000 кВт.

6.Разработан и реализован метод вибрационных испытаний на усталость конструкций с осевой симметрией, типа ступиц ветроколёс, основанный на нагружении ступиц инерционными силами, приходящими от лопастей при резонансном возбуждении ветроколеса с одной лопасти в плоскости взмаха.

7.Получены соотношения, связывающие компоненты напряжений (деформаций) в радиальных сечениях конструкций с осевой симметрией, развёрнутых относительно друг друга на угол, кратный шагу осевой симметрии.

8.Разработана методика расчётно-экспериментальной оценки параметров напряжённо-деформированного состояния и долговечности при гармоническом нагружении конструкций с осевой симметрией с использованием экспериментальных коэффициентов, связывающих внешние нагрузки и напряжения в конструкции.