Способ задержки роста усталостных трещин в конструкциях

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам задержки роста усталостных трещин в конструкциях, например, при эксплуатации летательных аппаратов, и может быть использовано при ремонте и эксплуатации других видов техники. Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет создания условий контактного взаимодействия берегов усталостной трещины. Новым в способе является то, что выполняют дополнительное отверстие с осью, расположенной в плоскости трещины, перед ее вершиной, устанавливают в этом отверстии дополнительные полувтулки. Ориентируют их плоскостью раздела перпендикулярно плоскости трещины. Устанавливают дополнительные крепежные элементы, а перед затяжкой крепежных элементов между ними помещают пружинные вставки с обеих сторон конструкции и создают ими при стягивании крепежных элементов напряжения сжатия в плоскостях, параллельных плоскости трещины перед ее вершиной. Использование указанных операций при реализации способа торможения развития усталостных трещин позволяет повысить эффективность способа, увеличить период задержки развития трещины от отверстия при ее вершине в 1,7 раза, перевести рост трещины во внутренние объемы материала с задержкой разрушения в приповерхностных слоях и реализовать контактное взаимодействие берегов усталостной трещины, благодаря чему скорость роста трещины между крепежными элементами не превысит величины 4×10^-8 м/цикл по сравнению с ожидаемой величиной скорости роста трещины (2-7)×10^-7 м/цикл. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам задержки роста усталостных трещин в конструкциях, и может найти применение в эксплуатации летательных аппаратов и при ремонте любого вида техники. Целью изобретения является повышение эффективности задержки роста преимущественно сквозной трещины в конструкциях за счет создания условий контактного взаимодействия берегов усталостной трещины. На фиг. 1 изображена поверхность детали со сквозной усталостной трещиной после установки пружинных вставок; на фиг. 2 - сечение детали с пружинными вставками после их установки и затяжки крепежных элементов в плоскости, перпендикулярной продолжению плоскости усталостной трещины; на фиг. 3 - сечение детали с устройством, реализующим предлагаемый способ, в плоскости трещины перед затяжкой крепежных элементов. В элементе конструкции 1 со сквозной усталостной трещиной 2 осуществляют сверление отверстия 3 в вершине усталостной трещины 2 и дополнительного отверстия 4 перед вершиной трещины 2 с осью, расположенной в плоскости трещины, в которой помещают полувтулки 5 и 6, причем в отверстии 3 у вершины усталостной трещины 2, а в отверстии 4 впереди усталостной трещины 2 ориентируют плоскость раздела полувтулок 6 перпендикулярно плоскости трещины 2. В отверстия 3 и 4 помещают стяжные болты 7 и 8, под головками которых располагают сферические шайбы 9 и 10. С противоположной стороны детали 1 навинчивают гайки 11 и 12, под головками которых располагаются сферические шайбы 9, 10, 13 и 14, помещают пружинные вставки 15, 16 и создают ими напряжения сжатия при стягивании стяжных болтов 7 и 8 в плоскости, параллельной плоскости трещины 2 перед ее вершиной. Дополнительное сверление отверстия перед вершиной усталостной трещины позволяет в последующем реализовать условие создания сжимающих усилий перпендикулярно направлению роста трещины. При этом размещение полувтулок их плоскостью раздела перпендикулярно плоскости трещины обеспечивает создание сжимающих напряжений в плоскости трещины в направлении, противоположном движению трещины. Благодаря этому создаются предпочтительные условия для пластического деформирования материала, что приводит к резкому снижению скорости роста трещины при подходе к отверстию, расположенному перед вершиной усталостной трещины. Размещение пружинных вставок между двумя крепежными элементами с обеих сторон трещины позволяет создать неравномерное поле сжимающих напряжений в плоскости продолжения плоскости усталостной трещины и реализовать крутящий момент в плоскости трещины. Благодаря созданию крутящего момента возникает явление контактного взаимодействия берегов усталостной трещины и снижение ее скорости. Помимо этого действие сжимающих усилий обеспечивает создание условий для ротационной пластической деформации в вершине усталостной трещины, что приводит к затратам энергии не на рост трещины, а на пластическое деформирование материала, что также уменьшает скорость роста усталостной трещины и может приводить к ее частичной остановке. Выявляемые в процессе эксплуатации элементов авиационных конструкций усталостные трещины имеют размеры до нескольких десятков миллиметров. Это указывает на значительный период стабильного роста трещины, применительно к которому и используется предлагаемый способ задержки роста трещины. В связи с этим размер участка между двумя соседними крепежными элементами - основным и дополнительным - должен составлять несколько десятков миллиметров. При этом необходимо иметь в виду, что в зависимости от жесткости пружинных вставок и расстояния между крепежными элементами можно реализовать разную величину сжимающих усилий в плоскости, являющейся продолжением плоскости трещины. Причем их максимальная величина соответствует средней части зоны материала между крепежным элементом. Помимо этого следует учитывать тот факт, что с увеличением диаметра отверстия под крепеж снижается концентрация напряжений и возрастает эффективность задержки роста трещины. Поэтому максимальное расстояние между крепежными элементами должно составлять не более 100 мм. Более точно оценка расстояния между крепежом может быть проведена с учетом условия, что задержка развития трещины в зоне действия сжимающих усилий выражается в снижении скорости роста трещины менее 5 х 10^-8 м/цикл. Зная потребный оптимальный период межремонтного обслуживания τ, частоту приложения повреждающей нагрузки f к ремонтному элементу конструкции, можно определить максимально допустимое расстояние между крепежными элементами r_о из выражения r₀ ≅ 5 ˙ 10^-8 (τ f)[м] . Например, для частоты нагружения f = 10Гц и периода межремонтного обслуживания 40 ч расстояние между крепежом составляет ≈70 мм. П р и м е р. В стенке лонжерона из алюминиевого сплава Д16Т толщиной 10 мм была выявлена усталостная трещина. Трещина распространялась от одного из крепежных элементов. В вершине трещины было выполнено отверстие диаметром 8 мм, а перед вершиной трещины на расстоянии 40 мм было выполнено другое отверстие диаметром 8 мм. В отверстия были установлены полувтулки толщиной 1 мм, внутри которых были запрессованы болты r₀≅ 5·10^-8(τf)[м] 6 мм. Между крепежом располагали пружинные вставки, изготовленные из стали 30 ХГСА. Толщина вставок составила 3 мм, ширина вставок ≈15 мм с радиусом выступа ≈1 мм. При этом на вставке с двумя выступами расстояние между ними составило ≈7 мм. Указанный лонжерон подвергался нагружению в условиях полунатурных испытаний конструкции методом маркерных режимов, которые имитировали блоки эксплуатационных нагрузок. При этом в результате маркерных режимов нагружения на поверхности излома элемента конструкции формировались усталостные линии, расстояние между которыми δ характеризовало прирост усталостной трещины за блок приложения нагрузок. Поэтому о кинетике усталостных трещин до и после осуществления операций по предлагаемому способу судили после проведения стендовых испытаний конструкции на основании фрактографических исследований с применением высокоразрешающего растрового электронного микроскопа. Исследуемый излом получали путем вскрытия трещины, развившейся между крепежом. Проведенные исследования показали, что после выполнения операций по предлагаемому способу уменьшение скорости роста трещины произошло в несколько раз. При этом в направлении роста трещины между крепежом происходило не увеличение, а небольшое снижение скорости роста трещины (определявшейся как величина прироста трещины за блок приложения внешних нагрузок). Это обусловлено тем, что в срединной части между крепежом интенсивность действия сжимающих усилий в плоскости наибольшая. Выявленное снижение скорости роста трещины после ее выхода от отверстия в вершине трещины свидетельствует об эффективности использования способа для задержки роста усталостных трещин в конструкциях. На всей длине роста трещины между крепежом величина δ была менее 20 мкм, тогда как до операций по предлагаемому способу она достигала 40 мкм. При этом половина длины развития трещины в зоне пружинных вставок составила ≈10 мкм, т. е. снижение скорости произошло в 2-4 раза на разных участках роста трещины. Следовательно, по предлагаемому способу в эксперименте была реализована задержка роста трещины в 2-4 раза. Необходимо также отметить, что увеличение задержки роста трещины происходило и в отверстиях. При выполнении отверстий без установки полувтулок задержка трещины уменьшилась в 1,5-2 раза. Предлагаемый способ позволяет достичь задержки развития усталостной трещины. (56) Авторское свидетельство СССР N 1165552, кл. В 23 Р 6/00, 1983.

Формула изобретения

СПОСОБ ЗАДЕРЖКИ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В КОНСТРУКЦИЯХ преимущественно со сквозными трещинами, заключающийся в выполнении в вершинах трещин отверстий, установке в них полувтулок, а затем крепежных элементов в отверстия, образованные полувтулками, с радиальным натягом 5 - 10% от номинального диаметра отверстия в вершине трещины под втулки и осевым натягом, отличающийся тем, что, с целью повышения его эффективности за счет создания условий контактного взаимодействия берегов усталостной трещины, выполняют дополнительное отверстие с осью, расположенной в плоскости трещины, перед ее вершиной, устанавливают в это отверстие дополнительные полувтулки, ориентируют их плоскостью раздела перпендикулярно плоскости трещины, устанавливают дополнительные крепежные элементы, а перед затяжкой крепежных элементов между ними помещают пружинные вставки с обеих сторон конструкции и создают ими при стягивании крепежных элементов напряжения сжатия в плоскостях, параллельных плоскости трещины перед ее вершиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 19.01.1994

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2002

Извещение опубликовано: 27.12.2002        

---