Обоснование путей повышения усталостной долговечности заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций технологическими методами

При эксплуатации транспортных средств, объектов повышенной опасности, ключевой позицией является обеспечение ресурса изделий. Ресурс конструкции (Я) — наработка от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до прекращения или приостановки эксплуатации. Допустимая наработка в эксплуатации по условиям выносливости конструкции определяется на основе результатов лабораторных испытаний на выносливость конструкции в целом и (или) таких испытаний на выносливость, которые по условиям нагружения и охвату возможных слабых мест приближаются к условиям испытаний конструкции в целом [1, 2]. Допустимая наработка в эксплуатации, соответствующая характеристикам выносливости, полученным при лабораторных испытаниях, определяется делением на суммарный коэффициент надежности 7 среднего числа циклов (блоков) испытаний (ТУ), которые конструкция выдержала с обеспечением обязательных требований. Величина суммарного коэффициента надежности т] определяется как Г} = т], т] 2 г/ 3 г 4, где ?7 1 учитывает уровень структуры программы испытаний на выносливость характеру реальных нагрузок в эксплуатации (1.1,5), т] 2 — степень опасности разрушения (1.1,2), ?73 — достоверность данных о повторяемости нагрузок, действующих на самолет (1.1,5), ?74 — разброс свойств выносливости (3.5). Следовательно, повышение ресурса изделий на стадии производства возможно за счет увеличения долговечности и снижения суммарного коэффициента надежности.

Ресурс конструкции летательного аппарата устанавливается по ресурсу конструктивных элементов, разрушение или появление повреждений в которых может непосредственно привести к катастрофической ситуации. На ресурс конструкции, в значительной степени определяемый сопротивлением усталости конструктивных элементов, влияют многие факторы: конструктивные и технологические решения, качество производства, особенности эксплуатации, регламентные и ремонтные работы [3−6]. Обеспечение достаточной выносливости для опасных мест конструкции, устанавливаемых на основе расчетов и имеющегося опыта, предусматривается уже на стадии проектирования. При этом особое внимание уделяется выбору соответствующего материала, максимально возможному снижению концентрации напряжений, рациональности технологии изготовления элементов конструкции и их сборки, надежности систем контроля качества изготавливаемой продукции, а также максимальному повышению выносливости на основе использования соответствующих конструктивно — технологических мероприятий. Эффективность мероприятий проверяется лабораторными испытаниями отдельных конструктивных элементов (узлов, стыков, панелей, отсеков и др.). Усталостную долговечность часто лимитируют стыковые узлы и соединения. Методы оценки их сопротивления усталости должны учитывать конструктивные, металлургические, технологические и эксплуатационные особенности. Метод оценки усталостной долговечности деталей в «нерегулярных зонах» основан на использовании экспериментальной кривой выносливости для конкретного стыка или выреза.

Изучением сопротивления усталости материалов и элементов конструкций занимались многие исследователи. Так проблемам механизма образования и развития усталостных повреждений, влияния различных факторов на усталость материалов и элементов конструкций посвящены фундаментальные работы C.B. Серенсена, B.C. Ивановой, JI.P. Ботвиной, В. В. Болотина, В. П. Когаева, С. И. Ратнера, В. Т. Трощенко, В. Ф. Терентьева, А. З. Воробьева,.

A.Ф. Селихова, В. Г. Лейбова, Г. И. Нестеренко, В. Л. Райхера, Б. И. Олькина,.

B.Н. Стебенева, Т. С. Родченко, П. Г. Форреста, В. Вейбулла, С. С. Осгуда, М. Н. Степнова, Е. В. Гиацинтова, В. И. Шабалина, например [3−16]. Новые исследования по прогнозированию долговечности конструкций выполнены, например, в [17−24]. Значительное внимание уделено изучению кинетики усталостных трещин. Г. И. Баренблатт, Н. И. Мусхелишвили, Г. П. Черепанов, Н. И. Марин, В. П. Павелко, В. В. Болотин, Г. И. Нестеренко, В. П. Когаев и другие разрабатывали теоретические аспекты развития усталостных трещин [24−31]. Микромеханизмы развития трещин усталости, экспериментальное определение скорости роста усталостных трещин с учетом влияния истории нагружения, перегрузок, среднего напряжения цикла, различных концентраторов напряжений, агрессивных сред, повышенных температур, предварительного пластического деформирования изучены в [32−44]. Рассмотрены факторы, тормозящие рост усталостных трещин [45−49].

Следует отметить, что в связи с появлением новых конструкционных материалов, новых видов техники, эксплуатируемых в более сложных условиях (повышенные скорости, температуры и другое), возникают новые задачи, требующие своего решения. Одной из таких задач является исследование влияния технологии производства на ресурсные характеристики изделий. Как показывает мировая практика, значительный вклад в обеспечение характеристик долговечности изделий вносит технология производства. В работе [50] показано, что на ресурсные характеристики конструктивных элементов влияют практически все операции технологического процесса. Прокатка, прессование, ковка, литье, холодная штамповка, правка, сварка, термическая и термохимическая обработка и т. д., в основном, воздействуют на свойства всей массы материала и на свойства поверхностного слоя заготовок. Операции обработки полуфабрикатов воздействуют на поверхностный слой конструкции, в основном, формируя его. Их влияние на сопротивление усталости деталей в части образования усталостного повреждения следует признать решающим. Операции сборки влияют на сопротивление усталости за счет воздействия на поверхностный слой, создания внутреннего напряженного состояния. Авторы работы [51], рассматривая вопрос обеспечения ресурса технологическими методами, пишут о том, что технология изготовления деталей и сборки узлов, агрегатов и систем самолетов оказывает важное, а часто и решающее влияние на усталостную долговечность. Это влияние реализуется через изменение свойств и напряженно-деформированного состояния материала элементов конструкций при изменении режимов выполнения одного и того же технологического процесса. Статистика влияния производственных отклонений на снижение долговечности (до 90%) приведена в работе [52].

Особое влияние на прочностные характеристики оказывают остаточные напряжения, возникающие в процессе изготовления конструкции в поверхностном слое материала или в области концентраторов напряжений. Установлено [53], что остаточные напряжения слабо влияют на статическую прочность конструктивных элементов из пластичных материалов, т.к. в ходе пластического течения происходит перераспределение напряжений по сечениям. Для хрупких материалов влияние остаточных напряжений на статическую прочность может быть существенным [54]. На характеристики усталостной долговечности их влияние значимо, поэтому большой практический интерес представляет изучение влияния технологии изготовления на остаточные напряжения в изделиях. Такие исследования при различных режимах механообработки, поверхностного деформирования (ППД) проведены в ряде работ. A.A. Металиным, Б. А. Кравченко, И. В. Кудрявцевым и другими [55−58] показан механизм образования остаточных напряжений при шлифовании, резании, при поверхностном наклепе. Подчеркнуто, что поверхностное упрочнение должно применяться с учетом совокупного воздействия групп факторов: свойств сплава, напряженного состояния, уровня и характера нагруже-ния, воздействия внешней среды. Установлена высокая эффективность наклепа не только для материалов, но и для сварных соединений из малоуглеродистых, низколегированных и среднелегированных сталей, титановых сплавов. Влияние обкатки роликами, заневоливания, дробеструйной обработки рассмотрено в работах [59−62]. Эти технологические процессы (в результате совместного действия остаточных напряжений и собственного упрочнения) повышают сопротивление усталости, причем для высокопрочных сталей эффект упрочнения больше, чем для среднепрочных. Большие остаточные напряжения могут возникать в сварных соединениях. Расчетные модели остаточных напряжений в сварных соединениях предложены в работах [63−65].

Распределение остаточных напряжений при различных видах сварки в различных материалах получено в работах [66−71]. Установлено, что для большинства сталей в шве после сварки локализован пик растягивающих остаточных напряжений, достигающий предела текучести материалов. С течением времени происходит релаксация остаточных напряжений. Повышение температуры приводит к интенсификации перераспределения. Однако в тонкостенных конструкциях из алюминиевых сплавов особенности образования остаточных напряжений изучены недостаточно. Авиационные конструкции характеризуются большим количеством концентраторов напряжений различного вида — инициаторов усталостных повреждений. Диаграмма распределения напряжений с учетом остаточных напряжений в области отверстия (качественная картина) рассмотрена, например, в работе [72]. Но для оценки ресурса, разработки упрочняющих технологий, основанных на создании благоприятного поля остаточных напряжений, необходимы экспериментально полученные численные значения остаточных напряжений в области типовых концентраторов напряжений. Кроме того, при воздействии внешних условий остаточные напряжения могут изменяться. Необходимо было оценить насколько «устойчивыми» оказываются остаточные напряжения, создаваемые с целью упрочнения, при воздействии меняющихся нагрузок, повышенных температур, не ухудшается ли коррозионная стойкость конструктивных элементов и другое. Это определяет целесообразность исследований остаточных напряжений различного происхождения в области типовых концентраторов напряжений, изучения особенностей их изменения при воздействии эксплуатационных и технологических факторов, оценки влияния этих напряжений на сопротивление усталости, коррозию конструктивных элементов.

В авиации существуют различные концепции проектирования конструкций [6, 72]: проектирование по безопасному сроку службы и по безопасному повреждению. В первом случае ожидаемый срок службы оценивается исходя из испытаний или расчетов, и коэффициенты надежности должны обеспечивать срок службы ниже того, при котором самолет полностью разрушится. Во втором случае конструкция создается так, что периодические ее проверки позволяют обнаружить трещины до того, как они достигнут катастрофического размера. Необходимость проектирования по безопасному повреждению подтверждается следующим примером. В работе [73] приведены данные по ресурсу широкофюзеляжного самолета А-300 В. Его расчетный срок службы (без замены частей планера) составляет 40 тысяч летных часов, в том числе до появления трещин — 30 тысяч летных часов. Экономически выгодный технический ресурс составляет 60 тысяч летных часов. Очевидно, что примерно половину технического ресурса самолет должен гарантированно эксплуатироваться без повреждений, а вторую половину — с допустимыми повреждениями деталей агрегатов и их заменой при ремонтах. Безопасность конструкции обеспечивается периодическими осмотрами, местными ремонтами, заменами деталей и модификациями конструкции для поддержания ее долговечности. Из принципа безопасных повреждений вытекают некоторые новые правила проектирования: выбор материалов с хорошим сопротивлением образованию и развитию усталостных трещин при циклическом нагруже-нии, применение конструкций, в которых силовой поток идет по нескольким элементам, использование конструктивно-технологических средств торможения трещин, в том числе специальных стопоров трещин. Особое внимание должно уделяться обеспечению требуемых усталостных характеристик различных видов соединений. Однако использование ряда упрочняющих технологий, как-то: постановка крепежа с гарантированным натягом, создание стопоров посредством локального пластического деформирования, прокатка сварного шва в роликах — не всегда приводят к ожидаемому результату. Релаксационные процессы, протекающие при повышенных температурах, переменных нагрузках, в сочетании с микроповреждениями, возникающими при пластическом деформировании, дефектами производства могут приводить к значимому снижению усталостных характеристик. Недостаточно изучен вопрос по определению допустимых параметров деформирования, по влиянию локальных пластических деформаций на коррозионную стойкость и, следовательно, календарный срок службы) конструктивных элементов. Поэтому эффективность упрочняющих операций, их технологические параметры, последовательность должны быть предварительно тщательно изучены в лабораторных условиях. Актуальным является исследование влияния технологической наследственности на сопротивление усталости, коррозионную стойкость изделий в эксплуатации.

Существенную роль в обеспечении выносливости играют производственные дефекты различного типа и размера. В гражданской авиации США в 1967;1969 гг. из 216 случаев летных происшествий по причинам усталостных повреждений 39 были последствием дефектов производства и 15 — дефектов материала [74]. Но при некоторых видах производства, например при сварке, не удается изготовить бездефектные изделия. По данным работы [75] при сборке — сварке кабины орбитального самолета «Буран» число ремонтных подварок на одной кабине достигало 50. 100. Поэтому необходимость нормирования допустимых дефектов при различных производственных операциях актуализирует исследования по оценке влияния дефектов сварного соединения на усталостные характеристики элементов конструкций.

Особое внимание должно уделяться новым технологиям. Нельзя не согласиться с утверждением авторов работы [76], подчеркивающих, что достижение нового уровня эксплуатационных и производственных показателей связано главным образом с эффективными конструкторскими решениями и успехами в создании новых материалов и технологий. Технология становится критическим параметром, определяющим состояние техники, машиностроения. Но, как уже показано выше, для внедрения новых технологий в промышленность необходима их оценка, а порой и доводка по критериям прочности, усталостной долговечности, с учетом воздействия эксплуатационно-климатических факторов. В модификации процессов с учетом ресурсных характеристик нуждается и ряд базовых технологических операций. Поэтому актуальным является проведение в лабораторных условиях широкого экспериментального моделирования по изучению влияния различных технологических факторов на характеристики статической прочности и ресурса ответственных конструктивных элементов. Это позволяет глубже понять процессы накопления повреждений при усталости материалов и элементов конструкций, осуществлять теоретическое моделирование и расчет ресурса изделий. Экспериментальное моделирование способствует совершенствованию технологических процессов посредством управления коэффициентами технологического влияния. Под управлением коэффициентами технологического влияния понимается такое целенаправленное воздействие на технологические процессы, при котором обеспечиваются на стадии производства требуемые характеристики долговечности конструктивных элементов и изделия в целом.

Значимость задач обеспечения ресурсных характеристик, в том числе технологическими методами, в настоящее время возросла и в связи с необходимостью обеспечения безопасной эксплуатации стареющих самолетов. К настоящему моменту многие отечественные летательные аппараты (самолеты Ил-18, Ил-62, Ил-86, Ту-154Б-2, Ту-134А, Як-40, Як-42, Ан-12, вертолеты Ми-2, Ми-4, Ми-6, Ми-8, Ка-26, Ка-28 и другие) существенно превысили проектные ресурсы и сроки службы. Их дальнейшая эксплуатация возможна за счет качества технологии ремонтных и регламентных работ, научно обоснованных и доработанных с учетом критериев прочности и долговечности.

Следует отметить и следующее обстоятельство. По зарубежным требованиям ресурс пассажирского самолета должен достигать 60 и более тысяч часов налета. Отставание в длительности назначенного ресурса приводит к снижению конкурентоспособности отечественной техники, экономическим потерям.

Решение указанных выше задач позволяет обосновать пути повышения усталостной долговечности элементов конструкций технологическими методами. Рис. В.1 отражает методологию исследования проблемы, использованную в данной работе. Отмеченный пунктирной линией блок, связанный с расчетом ресурса элементов конструкций, не является предметом настоящего изучения.

Проблема.

Технологическое моделирование.

1. Технологии производства.

2. Образцов материалов и элементов конструкций.

Эксплуатационное моделирование.

1. Вида нагружения (статика, циклическое нагружение).

2.Температуры (комнатная, повышенная).

3. Среды (воздух, 3%-ный раствор ЫаС1, керо-син^.

Эксперимент.

1. Планирование эксперимента. 2. Совершенствование методов обработки результатов. 3. Исследование: -статической прочности,.

— усталостной долговечности,.

— коррозионной стойкости,.

— остаточных напряжений,.

— кинетики усталостных трещин, -герметичности соединений.

Расчет ресурса конструкций.

Обоснование способов повышения усталостной долговечности.

Рис. В.1. Методология исследования проблемы.

При оценке усталостных свойств материалов и элементов конструкций экспериментаторы сталкиваются со значительным разбросом долговечности. Поэтому для повышения достоверности выводов в работе уделено внимание совершенствованию методики проведения и обработки результатов усталостных испытаний. Исследования проведены на натурных образцах с предварительно не деформированными и дорнированными отверстиями, а также образцах сварных и заклепочных соединений. Выбор типа натурных образцов объясняется тем, что ресурс конструкций самолетов ограничивается, в большинстве случаев, усталостью продольных стыков панелей нижней поверхности крыла и усталостью продольных стыков внахлест обшивки фюзеляжа. В этих стыках образуются трудно контролируемые многоочаговые трещины [6]. Кроме того, создание соединений по трудоемкости составляет около 60 процентов трудоемкости изготовления летательных аппаратов.

Согласно краткому паспорту научной специальности «Прочность летательных аппаратов» областью исследования являются методы и средства повышения ресурса и долговечности элементов ЛА, включая конструктор-ско-технологические решения.

Целью данной работы является повышение усталостной долговечности и стойкости к взаимодействию факторов внешней среды заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций.

Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Экспериментально установить закономерности распределения остаточных напряжений различного происхождения в области типовых для летательных аппаратов концентраторов напряжений: свободного отверстия, отверстия после дорнирования, в сварных и заклепочных соединениях из алюминиевых сплавов. Изучить релаксационные процессы под влиянием эксплуатационных и технологических факторов.

2. Экспериментально исследовать механизм влияния остаточных напряжений, создаваемых технологическими методами на стадии производства, на сопротивление усталости, герметичность, коррозионную стойкость конструктивных элементов.

3. Выявить особенности разрушения сварных и заклепочных соединений из алюминиевых, титановых сплавов и стали в условиях, моделирующих эксплуатационные. С помощью регрессионного анализа установить общие закономерности усталостного разрушения элементов конструкций.

4. Научно обосновать способы повышения усталостной долговечности конструктивных элементов технологическими методами.

Создать основу для системы информационной поддержки изделий на стадии проектирования и производства по влиянию технологических факторов на усталостную долговечность элементов авиационных конструкций.

5. Усовершенствовать методики экспериментальных исследований и обработки результатов усталостных испытаний элементов конструкций, определения остаточных напряжений в области концентраторов напряжений.

Научная новизна работы:

1. Научно обоснованы способы повышения усталостной долговечности элементов конструкций технологическими методами, основанными на формировании благоприятных остаточных напряжений в области концентраторов напряжений, определены допустимые области их использования.

Экспериментально показано, что увеличение сопротивления усталости на порядок и более сварных соединений из алюминиевых, титановых сплавов и сталей возможно также за счет получения качественного сварного соединения, автоматизации процесса сварки, отработки технологии сварки, включающей выбор присадочной проволоки, применение флюса и другое.

2. Впервые комплексно экспериментально исследованы остаточные напряжения в области свободного отверстия, отверстия после дорнирования, постановки крепежа с гарантированным натягом, а так же в точечном и шовном сварном соединении из алюминиевых сплавов. Установлены зависимости величины остаточных напряжений от внешней нагрузки, типа концентратора напряжений, величины натяга по контуру отверстия, механических характеристик алюминиевых сплавов. Изучены процессы релаксации остаточных напряжений при воздействии перерывов в испытаниях, циклических нагрузок, повышенной температуры. Произведена оценка влияния остаточных напряжений в области концентраторов напряжений на сопротивление усталости, кинетику усталостных трещин, герметичность, коррозионную стойкость конструктивных элементов.

3. Методом регрессионного анализа выявлена общая зависимость между коэффициентами уравнений = / <ттах) гладких образцов, образцов с отверстием, образцов сварных и заклепочных соединений из авиационных конструкционных сплавов при отнулевых циклах растяжения в рабочем диапазоне эксплуатационных воздействий. Для образцов сварных соединений из сплава 1201Т1 установлена зависимость между коэффициентами аналогичных уравнений при асимметричных циклах нагружения с отличным от нуля максимальным напряжением цикла растяжения (при различных значениях относительного среднего напряжения цикла). Использование установленных зависимостей позволит в ряде случаев значительно сократить объемы усталостных испытаний конструктивных образцов на стадии проектирования изделий.

4. Усовершенствованы методики экспериментальных исследований и обработки результатов усталостных испытаний элементов конструкций, развивающие ранее используемые методы и способствующие повышению надежности выводов по результатам испытаний малых выборок. Применение высокоточных сеток на оптически прозрачном стекле при оптико-механическом способе измерения перемещений в области концентраторов напряжений позволило впервые комплексно исследовать остаточные напряжения на участках со значительным градиентом напряжений и научно обосновать способы повышения усталостной долговечности элементов конструкций технологическими методами, основанными на формировании благоприятных остаточных напряжений в области концентраторов напряжений.

Практическая значимость работы:

1. На основании большого экспериментального материала в работе реализован системный подход к решению проблемы обеспечения долговечности сварных и заклепочных соединений тонкостенных конструкций технологическими методами.

2. Произведена оценка влияния комплекса технологических факторов базовых технологических процессов на сопротивление усталости конструктивных элементов, а именно: ручной и автоматической сварки сплавов, применяемых в трубопроводных системах (титановые сплавы ПТ-7М, ВТ 1−0, сталь 12Х18Н10Т), раскатки и термообработки труб со сварными соединениями, второго прохода при гелиево-дуговой сварке сплавав 1201Т1, АМгб, прогиба шва, смещения кромок, допустимых дефектов для сварного соединения 1 категории. Результаты исследований использованы при оценке ресурса летательных аппаратов, выборе технологических цепочек производства конструктивных элементов. Данные по влиянию дефектов сварных соединений на их сопротивление усталости позволяют дать научное обоснование нормированию дефектов с учетом критериев статической прочности и усталостной долговечности.

3. По критериям статической прочности и ресурса доработаны и внедрены на предприятиях отрасли технологические процессы сварки глубоким проплавлением титанового сплава ВТ-23, магнитно-импульсного способа формообразования обечаек со сварными соединениями из сплава АМц, ремонтных доработок методом сварки деталей с поверхностными и торцевыми дефектами из сплавов ВНС-2, АЛ9, применения заклепок с компенсаторами, производства биметаллических композитов из алюминиевого (1201), титановых сплавов (ВТ1−0, ОТ4−0) и стали (12Х18Н10Т).

4. Разработана методика повышения усталостной долговечности типовых конструктивных элементов (полосы с отверстием, заклепочных соединений) с помощью многорядного локального пластического деформирования поверхности образцов в области концентраторов напряжений, позволяющая повысить усталостную долговечность заклепочных соединений до 4-х раз.

5. С помощью экспериментального исследования остаточных напряжений в области постановки крепежа с натягом дано научное обоснование применения типа крепежа для обеспечения ресурсных характеристик заклепочных соединений.

6. Исследованы способы герметизации заклепочных соединений тонкостенных конструкций с помощью герметизирующих прослоек. По критерию усталостной долговечности рекомендованы наилучшие варианты герметизации.

7. Подготовлены материалы для создания на основе ИПИ-технологий информационной справочной системы по влиянию технологических факторов на статическую прочность, усталостную долговечность материалов и элементов конструкций летательных аппаратов, которая может быть использована для оценки влияния технологии производства на характеристики долговечности соединений, доработки технологических процессов по критериям статической прочности и ресурса.

Результаты исследований внедрены в ОАО «Туполев», ОАО «ОКБ им. A.C. Яковлева», ОАО «НовосибНИАТ», ОАО «НАПО им. В.П. Чкалова», ОАО «КнААПО», «ЭМЗ им. В.М. Мясищева».

Положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование способов повышения усталостной долговечности заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций технологическими методами.

2. Экспериментально установленные закономерности распределения и релаксации остаточных напряжений в области свободного отверстия, отверстия после дорнирования, постановки крепежа, в точечном и шовном сварном соединении из алюминиевых сплавов при воздействии эксплуатационных и технологических факторов.

3. Экспериментально изученный механизм влияния остаточных напряжений в области концентраторов напряжений на характеристики долговечности конструктивных элементов из алюминиевых сплавов.

4. Результаты экспериментальных исследований по оценке влияния комплекса конструктивных, технологических, эксплуатационных факторов на сопротивление усталости, герметичность, коррозионную стойкость, кинетику усталостных трещин конструктивных элементов, изготовленных с помощью технологических процессов, являющихся базовыми и особо ответственными в самолетостроении.

5. Усовершенствованные методики исследований и статистической обработки экспериментальных результатов, развивающие ранее используемые методы и способствующие повышению надежности выводов по результатам испытаний малых выборок.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на следующих научных конференциях, симпозиумах и семинарах: III научно-технической конференции по проблемам усталостной прочности авиационных конструкций (Новосибирск, 1986 г.), VIII научно-технической конференции по ресурсу авиаконструкций (Жуковский, 1986 г.), II Всесоюзной конференции «Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов» (Куйбышев, 1986 г.), VII Всесоюзном совещании по сварке и резке взрывом (Киев, 1987 г.), Отраслевом семинаре по применению полимерных компенсирующих заполнителей (Новосибирск, 1988 г.), X международной конференции по высокоэнергетической обработке материалов (Югославия, Любляна, 1989 г.), VII Всесоюзном симпозиуме «Колебания упругих конструкций с жидкостью» (Новосибирск, 1992 г.), III Всероссийской конференции «Ползучесть в конструкциях» (Новосибирск, 1995 г.), IV Российско-китайской научно-технической конференции по проблемам авиационного ресурса (Новосибирск, 1995 г.), IV Всероссийской конференции «Проблемы прочности и усталостной долговечности материалов и конструкций» (Новосибирск, 1997 г.), Научно-технической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири» (Новосибирск, 1997 г.), Региональной научно-практической конференции.

Транссиб 99″ (Новосибирск, 1999 г.), 5-ом международном научно-техническом симпозиуме «Авиационные технологии 21 века» (Жуковский, 1999 г.), Региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» (Новосибирск, 2002 г.), 4-ой международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж, 2003 г.), Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 60-летию отделений аэродинамики и прочности авиационных конструкций (Новосибирск, 2004 г.), Научной конференции «Мониторинг ЛА-2005» (Ташкент, 2005 г.), Семинаре по обеспечению проектного ресурса планера регионального самолета б'&МОО (Новосибирск, 2007 г.).

Методы исследований, использованные при выполнении работы: метод освобождения с применением оптико-механического (микроскоп МИМ-7) и тензометрического (тензометрическая измерительная система типа СИИТ-3, цифровой тензометрический мост ЦТМ-5) способов измерения перемещений, испытания по определению механических характеристик сплавов, статической прочности, усталостной долговечности, герметичности, коррозионной стойкости конструктивных элементов, исследования кинетики усталостных трещин (вихретоковые датчики трещин), металлографический и фрактографический анализ изломов (микроскопы МИМ-8, МИМ-10), метод фотоупругих покрытий, статистические методы обработки результатов испытаний.

Достоверность результатов работы основывается на научно обоснованном выборе методик исследований, хорошем совпадении результатов, полученных при контрольных экспериментах другими авторами, участии в исследованиях аттестованного персонала, на использовании серийного, аттестованного испытательного оборудования и поверенных средств измерений, на получении большого объема экспериментальных данных, обработанных с помощью методов математической статистики. Обсуждение результатов осуществлялась в авиационных фирмах, на конференциях различного уровня.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в научноисследовательском отделении статической прочности и усталостной долговечности ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина» в соответствии с планами научных работ института. Во всех экспериментах автор принимала непосредственное участие в качестве либо ответственного исполнителя, либо руководителя этапа, работы. Автором осуществлялось планирование работы, разработка методик исследований, контроль за ходом усталостного эксперимента, непосредственное измерение перемещений с целью определения остаточных напряжений, обработка и анализ экспериментальных данных, обобщение полученных данных.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 43 печатных работы, в том числе 1 монография, 9 статей в журналах, включенных в Перечень ВАК, 9 статей в центральных научно-технических журналах, 15 статей в сборниках трудов, 9 статей в материалах всесоюзных, всероссийских или международных конференций и симпозиумов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 192 наименований, приложения. Общий объем основного текста 270 страниц, включая 103 рисунка, 31 таблицу.

Выводы.

1. На основании проведенных исследований показаны пути обеспечения ресурсных характеристик технологическими методами.

2. Произведена оценка влияния направления проката, количества проходов при сварке, смещения кромок, прогиба шва, дефектов сварки первой категории (поры, цепи пор, вольфрамового включения), ремонтных доработок методом сварки на сопротивление усталости сварных соединений из алюминиевых сплавов и стали. Показано, что значимое влияние на усталостную долговечность соединений из сплавов 1201Т1 и АМгб оказывает прогиб шва величиной более 30% от толщины поперечного сечения. Ремонтные доработки методом сварки до 25% площади поперечного сечения образца практически не влияют на усталостную долговечность конструктивного элемента. Глубокие доработки (более 50%, 75% от площади сечения) приводят к значимому снижению числа циклов до разрушения (более 40.70%). Стопроцентный ремонт (или сварка встык) с позиций усталости менее опасен, чем частичные ремонтные доработки большой величины. Полученные данные позволяют обеспечить научное обоснование нормирования производственных дефектов.

3. Исследованы механические характеристики, сопротивление усталости, коррозионная стойкость композиционных материалов типа «сталь 3-медь», «сплав 1201-титановые сплавы», «12Х18Н10Т-ВТ1−0», полученных сваркой взрывом. Установлено, что сваркой взрывом удается создавать композиты с различными механическими характеристиками. Повышение условного предела текучести и предела прочности композита сопровождается снижением его пластичности. Образцы из композитов могут без разрушения кратковременно воспринимать циклическую нагрузку, превышающую предел прочности сплавов, входящих в композит. При воздействии агрессивной среды (3%-ный раствор ЫаС1, 5000 часов) в биметаллах типа «алюминиевый сплав — титановые сплавы» наблюдалась общая коррозия сплава 1201 и щелевая коррозия в зоне шва в случае непровара композита, что приводило к значимому снижению его усталостной долговечности.

4. В результате систематизации и унификации результатов прочностных и усталостных испытаний конструктивных элементов, изготовленных с использованием различных технологических процессов, появилась возможность на основе ИПИ-технологий создания базы данных, включающей механические характеристики материалов и характеристики долговечности материалов, элементов конструкций, выполненных по перспективным технологиям с учетом моделирования эксплуатационных условий. База данных может быть использована для оценки влияния различных технологических факторов ряда основных технологических процессов, применяемых в самолетостроении и при производстве тонкостенных конструкций в других областях народного хозяйства, на ресурс изделий, доработки технологических процессов по критериям прочности и ресурса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Обоснованы пути повышения усталостной долговечности заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций технологическими методами на основании анализа результатов экспериментальных исследований статической прочности, сопротивления усталости, коррозионной стойкости, герметичности соединений, оценки влияния остаточных напряжений различного происхождения на характеристики усталостной долговечности.

2. Экспериментально установлено, что повышение усталостной долговечности достигается дорнированием свободного отверстия (увеличение долговечности на порядок и более), применением в заклепочном соединении крепежа с гарантированными осевыми и радиальными натягами (увеличение долговечности до 4-х раз), многорядным локальным пластическим деформированием опасного сечения заклепочного соединения, создающим стопоры на пути развития усталостной трещины (увеличение долговечности до 4-х раз). Определены допустимые параметры деформирования: — до 5% при натяге по контуру отверстия и до 5.6% от толщины листа при многорядном локальном пластическом деформировании поверхности. Существенное влияние на сопротивление усталости тонколистовых соединений оказывает также качество клепки, определяющее величину и равномерность осевого и радиального натяга, схемы герметизации. Увеличение усталостной долговечности на порядок и более сварных соединений из алюминиевых, титановых сплавов и сталей возможно за счет получения качественного сварного соединения, автоматизации процесса сварки, отработки технологии сварки, включающей выбор присадочной проволоки, применение флюса и другое.

Обеспечение ресурсных характеристик на стадии производства возможно только за счет выбора и доработки технологических операций с учетом критериев статической прочности и усталостной долговечности.

3. Дальнейшее развитие получила теория влияния остаточных напряжений в нерегулярной области элементов конструкций на усталостную долговечность, герметичность, коррозионную стойкость заклепочных и сварных соединений. Экспериментально определены закономерности образования остаточных напряжений в области свободного отверстия, отверстия после дор-нирования, в заклепочном соединении, в шовном и точечном сварном соединении из алюминиевых сплавов. Установлены зависимости остаточных напряжений от внешней нагрузки, типа концентратора напряжений, величины натяга по контуру отверстия, механических характеристик сплава. Подтверждена применимость уравнения Тегас1а У для описания распределения остаточных напряжений по известной величине напряжений в середине шва, на контуре сварной точки или отверстия. Исследованы процессы релаксации остаточных напряжений при выдержке без нагрузки, при циклическом нагружении, при воздействии повышенной температуры. Установленные закономерности позволяют производить расчетную оценку остаточных напряжений в области концентраторов напряжений в широком диапазоне эксплуатационных воздействий. Комплексные исследования по оценке влияния остаточных напряжений на усталостную долговечность элементов конструкций позволили сделать вывод об устойчивости эффектов упрочнения в условиях, моделирующих эксплуатационные, обосновать способы упрочнения, основанные на создании благоприятного поля остаточных напряжений в области концентраторов напряжений.

4. Произведена оценка влияния ряда конструктивно — технологических факторов сварных соединений из титановых сплавов ВТ1−0, ПТ-7М, ВТ-23, стали 12Х18Н10Т, ВНС — 5, алюминиевых сплавов 1201Т1, АМг 6, 1163 АТВ, АЛ9, сплава АМц на усталостную долговечность с учетом весовой эффективности. Экспериментально исследовано влияние технологии сварки, процесса автоматизации аргонодуговой сварки, прокатки шва в роликах, магнитно-импульсного способа формообразования обечаек со сварными соединениями, раскатки труб со сварными соединениями, использования присадочной проволоки, флюса, количества проходов при сварке, дефектов сварного шва первой категории, прогиба шва, смещения кромок, направления проката, ремонтных доработок методами сварки, воздействия повышенной температуры, ползучести, агрессивной среды. Экспериментально изучены прочностные свойства сваренных взрывом металлических композитов типа «сталь 3-медь», «сплав 1201-титановые сплавы», «12Х18Н10Т-ВТ1−0». Определены коэффициенты влияния.

5. Методом регрессионного анализа выявлена общая зависимость между коэффициентами уравнений lg (iV) = / (lg amax) гладких образцов, образцов с отверстием, образцов сварных и заклепочных соединений из авиационных конструкционных сплавов при отнулевых циклах растяжения. Для образцов сварных соединений из сплава 1201Т1 установлена зависимость между коэффициентами аналогичных уравнений при асимметричных циклах нагруже-ния с отличным от нуля максимальным напряжением цикла (при различных значениях относительного среднего напряжения цикла). Использование установленных зависимостей позволит в ряде случаев значительно сократить объемы усталостных испытаний на стадии проектирования и разработки.

6. Усовершенствованы методики экспериментальных исследований и обработки результатов усталостных испытаний элементов конструкций, развивающие ранее используемые методы исследований и способствующие повышению надежности выводов по результатам испытаний малых выборок. Применение высокоточных сеток на оптически прозрачном стекле при оптико-механическом способе измерения перемещений в области концентраторов напряжений позволило впервые комплексно исследовать остаточные напряжения на участках со значительным градиентом напряжений для обоснования способов повышения долговечности конструктивных элементов.

7. Результаты, полученные при выполнении работы, внедрены в ОАО «Туполев», ОАО «ОКБ им. A.C. Яковлева», ОАО «НовосибНИАТ», ОАО «НАПО им. В.П. Чкалова», ОАО «КнААПО», «ЭМЗ им. В.М. Мясищева». Они использованы при оценке ресурсных характеристик новой техники, при разработке и совершенствовании технологических процессов ряда изделий, при разработке отраслевой нормативно-технической документации.