Способ определения остаточной прочности тонкостенной конструкции
METHOD FOR DETERMINING THE RESIDUAL STRENGTH OF A THIN-WALLED STRUCTURE

Изобретение относится к технике прочностных испытаний натурных тонкостенных конструкций, в частности к способу определения испытаниями остаточной прочности. Результаты этих испытаний используют при выборе проектных, технологических и эксплуатационных решений в процессе разработки сложных конструкций.
Необходимость проведения испытания поврежденной конструкции на остаточную прочность связана с тем, что при расчетах остаточной прочности сложных конструкций, состоящих из большого числа различных силовых элементов, работающих в специфических условиях, неизбежно приходится вводить упрощающие предположения. Ряд факторов, связанных с условиями работы поврежденных элементов в сложно-напряженном состоянии, вообще не представляется возможным учесть. Все это является источником погрешностей расчетов остаточной прочности. Это обуславливает необходимость проведения испытаний на остаточную прочность, которые позволяют определить, как критический размер повреждения, так и критическую величину нагрузки, которые приводят к полному разрушению конструкции. В связи с риском полного разрушения конструкции при испытаниях на остаточную прочность, особенно с возможным взрывным разрушением герметических емкостей при их наддуве, возникает острая необходимость разработки специального способа, предотвращающего полное разрушение конструкции, что и является задачей данного изобретения.
Аналогом способа испытаний является «Способ исследования трещиностойкости материалов», авторское свидетельство SU 1323904 А1, МПК G01N 3/00 (2000-01-01), 15.07.1987. В данном способе образец с концентратором напряжений в виде надреза нагружают до образования трещины и в процессе нагружения регистрируют нагрузку и перемещение берегов надреза, по которому определяют деформацию в зоне концентрации напряжений, и дополнительно регистрируют однородную деформацию вне зоны концентрации. Строят диаграмму усилие - разность локальной и однородной деформаций, по которой устанавливают момент образования трещины и по значениям усилия и разности деформаций, соответствующим страгиванию трещины, судят о трещиностойкости материала.
Недостатком данного способа, во-первых, является то, что деформацию в зоне концентрации определяют косвенным образом по измерению перемещений берегов трещины. Во-вторых, о трещиностойкости судят по разности деформаций в зоне концентрации и вне ее в момент образования трещины от надреза. В случае определения остаточной прочности натурных тонкостенных конструкций, поврежденных трещинами больших размеров, такой подход приводит к большим погрешностям определения остаточной прочности. Это обусловлено погрешностями определения деформаций в зоне концентрации по данным измерений перемещений берегов трещины в случае ее выпучивания. Кроме того, остаточную прочность можно определить только по моменту образования трещины, который не в полной мере определяет несущую способность поврежденной конструкции.
Аналогом способа испытаний является «Способ определения остаточной прочности конструкции», авторское свидетельство SU 1756789 А1, МПК G01M 5/00, G01N 29/04, 23.08.1992, бюл. 31. В данном способе с целью определения остаточной прочности конструкции, преимущественно крыла летательного аппарата, возбуждают резонансные колебания, измеряют частоты колебаний испытываемой конструкции с дефектами и сравнивают их с частотами колебаний, измеренными на эталонной конструкции. Для этого предварительно определяют частоты авторезонансных колебаний и разрушающие нагрузки от изгиба и кручения как неповрежденной, так и поврежденных различными повреждениями эталонных конструкций. В полученном диапазоне частот и разрушающих нагрузок минимальная частота изгибных или крутильных колебаний соответствует минимально допустимой остаточной прочности.
Недостаток способа заключается в необходимости испытаний одной неповрежденной и нескольких, с различными повреждениями, эталонных конструкций для определения их частот авторезонансных изгибных и крутильных колебаний, а также разрушающих нагрузок от изгиба и кручения. При проведении таких испытаний возникают большие технические трудности, обусловленные необходимостью обеспечить во всех испытаниях одинаковое распределение масс, жесткостей неповрежденной конструкции и условия заделки. Кроме того, необходимость проведения большого числа сложных испытаний эталонных конструкций ограничивает возможность применения способа для широкого круга полноразмерных тонкостенных конструкций.
Аналог способа испытаний изложен в патенте «Способ распознавания мест критического разрушения конструкции при статических испытаниях и устройство для его реализации», патент RU 2 650 749 С2, МПК G01N 3/00 (2006/01), от 17.04.2018, Бюл. №11. В способе осуществляется непрерывный анализ процесса изменения параметров первичных датчиков от уровня прилагаемой нагрузки и при выходе расчетного параметра любого датчика за область доверительного интервала, что может произойти в случае возникновения пластических деформаций, образования макротрещин или потери устойчивости элемента конструкции, происходит прекращение нагружения и фиксация положения конструкции на начальном этапе разрушения с сохранением целостности конструкции для экспресс анализа или доработки.
Недостатком данного способа является то, что в случае его применения для испытаний на остаточную прочность поврежденной трещинами конструкции невозможно предварительно, расчетными методами с достаточной степенью точности определить предельный размер трещины или предельное значение нагрузки, при которых произойдет полное разрушение конструкции. Ошибки определения критического размера трещины или критической нагрузки могут привести к тому, что при нагружении трещина попадет в зону ее нестабильного развития и как следствие это приведет к полному разрушению конструкции, требующего очень трудоемкого и дорогостоящего восстановительного ремонта для продолжения испытаний.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ, принятый за прототип «Способ исследования трещиностойкости тонкостенных конструкций», изложенный в авторском свидетельстве SU 1104378 A, G01N 3/00, от 23.07.84 г., бюл. №27. Этот способ, по существу, является способом определения остаточной прочности тонкостенной конструкции. В данном способе тонкостенную конструкцию с концентратором трещинообразования в виде трещины небольшой длины (надреза) нагружают до тех пор, пока не начнется рост трещины. В процессе нагружения измеряют перемещение берегов трещины в направлении, перпендикулярном к поверхности конструкции, возникающем вследствие выпучивания. После страгивания трещины измеряют также ее длину, строят диаграмму «перемещение берегов трещины-длина трещины». Нагружение осуществляют до момента существенного снижения прочности или до разрушения. Затем по диаграмме определяют нагрузку, начиная с которой на указанной диаграмме величина перемещения берегов трещины получает резкий скачок, и эту нагрузку принимают за допустимую для исследований конструкции.
Недостатком данного способа является то, что для определения остаточной прочности нагружение необходимо довести до существенного снижения несущей способности или разрушения конструкции. Кроме того, способ обладает низкой точностью, в связи с тем, что не учитывает локальные условия разрушения в вершине трещины. Также способ не позволяет проводить испытания тонкостенной конструкции с большим числом начальных надрезов в связи с риском полного разрушения конструкции при опережающем развитии одного из них.
Технический результат заключается в предотвращении полного разрушения конструкции, в результате чего сокращаются затраты на выполнение дорогостоящих восстановительных ремонтов, либо в случае невозможности ремонта на изготовление дополнительных полноразмерных конструкций, а также приводит к сокращению затрат и длительности проведения испытаний.
Технический результат достигается тем, что в способе определения остаточной прочности тонкостенной конструкции, включающием нанесение на конструкцию надреза, нагружение поврежденной конструкции, регистрацию длины развивающейся трещины, конструкцию нагружают до образования трещины и регистрируют нагрузку. Далее многократно осуществляют пошаговое нагружение до подрастания трещины на заданный на размер в пределах от 3 до 10 мм и на каждом шаге регистрируют нагрузку, конструкцию разгружают и регистрируют длину трещины, после подрастания трещины до ее предкритического состояния испытания останавливают, строят зависимость нагрузки от длины трещины, по которой определяют критическую нагрузку и критический размер трещины, определяющие остаточную прочность конструкции. Размер подрастания трещины задают в пределах от 3 мм до 10 мм.
Перечень фигур:
- на фиг. 1 изображена блок-схема управления нагружением и измерениями при испытании;
- на фиг. 2 изображена схема пошагового нагружения с регистрацией подрастания трещины;
- на фиг. 3 изображены а) схема надрезов на нижней поверхности крыла; разрез нижнего пояса лонжерона и надрез 1/3 стенки лонжерона, b) разрез стыкового стрингера и надрез обшивки на два межстрингерных расстояния, с) разрез нижнего пояса лонжерона и надрез 1/3 стенки лонжерона, а также надрез прилегающей обшивки до ближайшего стрингера;
- на фиг. 4 изображена зона надреза нижних панелей крыла с установленными датчиками трещин и акустической эмиссии.
На фиг. 1 изображено: искусственный надрез 1, многонитиевый датчик трещины 2, однонитиевый датчик трещины 3, датчик акустической эмиссии 4, трещина 5, сигнализатор трещин 6, система акустической эмиссии 7, многоканальная система нагружения 8.
На фиг. 2 изображено: размер надреза 9, критический размер трещины в сумме с размером надреза 10, нагрузка страгивания трещины 11, пошаговое нагружение 12, кривая подрастания трещины 13, критическая нагрузка 14.
На фиг. 4 изображено: надрез 1, многонитиевый датчик трещин 2, трещина 5, датчик акустической эмиссии 4.
Способ осуществляют следующим образом. На испытываемой конструкции выполняют надрез 1 размером 9. На прогнозируемой траектории развития трещины наклеивают многонитиевые датчики трещин 2 с шагом между нитями в пределах от 3 мм до 10 мм для регистрации подрастания трещины сигнализатором 6. Многонитиевый датчик трещин наклеивают таким образом, чтобы первая нить датчика отстояла от вершины надреза примерно на 5 мм. На расстоянии критического размера подрастания трещины (примерно 50 мм) наклеивают однонитевый датчик трещины 3, для аварийной разгрузки конструкции многоканальной системой нагружения 8 в случае подрастания трещины до критического размера 14. В окрестности траектории развития трещины монтируют датчики акустической эмиссии 4, сигналы которой регистрируют системой акустической эмиссии 7 в момент образования трещины. Конструкцию нагружают многоканальной системой нагружения 8 до появления сигналов акустической эмиссии от датчиков 4. Сигналы акустической эмиссии регистрируют системой акустической эмиссии 7 и одновременно многоканальной системой нагружения 8 регистрируют величину нагрузки, при которой образовывается трещина.
Нагружение продолжают до и срабатывания первой нити многонитиевого датчика трещин 2, вызванной подрастанием трещины 5 и регистрируют величину нагрузки. Нагрузку снижают на ≈30% от достигнутой величины. Величину снижения нагрузки выбирают из условия остановки роста трещины. Определяют положение вершины трещины и измеряют ее длину. Далее продолжают пошаговое многократное нагружение 12 конструкции. На каждом шаге регистрируют величину достигнутой нагрузки и длину трещины. В связи с опасностью полного разрушения конструкции нагружение прекращают, не доходя до критического размера трещины 10. При подходе трещины к критическому размеру наблюдают, что при небольшом приращении нагрузки возникает увеличенное приращение длины трещины. Увеличенное подрастание трещины служит признаком предкритического состояния конструкции, при котором останавливают нагружение.
Способ апробирован при испытании натурной конструкции крыла ближне-магистрального самолета. Испытания проведены в следующей последовательности. На нижней поверхности крыла наносились надрезы, моделирующие трещины надежно-обнаруживаемых размеров 3а, 3b, 3 с. По краям надрезов монтировались многонитиевые датчики трещин 2 и устанавливались датчики акустической эмиссии 4. Нагружение крыла осуществляли нагрузками расчетного случая «Установившийся маневр в вертикальной плоскости при убранной механизации».
При достижении 40% от расчетной нагрузки сработал многонитиевый датчик трещин 2. Конструкцию крыла разгрузили и зарегистрировали подрастание трещины длиной 2 мм от пропила по направлению полета.
Продолжили нагружение. При достижении 64,4% от расчетной нагрузки сработал многонитиевый датчик трещин 2. Конструкцию крыла разгрузили и зарегистрировали подрастание трещины до 10 мм от пропила по направлению полета.
Продолжили нагружение. При достижении 68,7% от расчетной нагрузки сработали два многонитиевых датчика трещин. Конструкцию крыла разгрузили зарестрировали подрастание трещины до 28 мм от пропила по направлению полета и на 18 мм против полета.
Продолжили нагружение. При достижении 70,9% от расчетной нагрузки сработали два многонитиевых датчика трещин. Конструкцию крыла разгрузили и зарегистрировали подрастание трещины до 34 мм от пропила по направлению полета и 28 мм против полета.
Испытания остановили в связи с предкритическим развитием трещины, которое может привести к полному разрушению крыла.
Проведенные испытания позволили получить технический результат, который заключается в том, что испытаниями на остаточную прочность с достаточной точностью определены критическая величина нагрузки и критический размер трещины без полного разрушения крыла. Предотвращение полного разрушения крыла позволили существенно уменьшить затраты на проведение восстановительного ремонта зоны трещины для продолжения испытаний с целью определения критической величины нагрузки и критического размера трещины для оставшихся поврежденных зон.