RU2687228C1 - Method for assessing fatigue damaging metal elements of aircraft structures during flight tests based on an extended modified fatigue curve - Google Patents
Method for assessing fatigue damaging metal elements of aircraft structures during flight tests based on an extended modified fatigue curve Download PDFInfo
- Publication number
- RU2687228C1 RU2687228C1 RU2018133274A RU2018133274A RU2687228C1 RU 2687228 C1 RU2687228 C1 RU 2687228C1 RU 2018133274 A RU2018133274 A RU 2018133274A RU 2018133274 A RU2018133274 A RU 2018133274A RU 2687228 C1 RU2687228 C1 RU 2687228C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fatigue
- flight
- values
- cycles
- stress
- Prior art date
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 7
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims abstract description 48
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 32
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 20
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 15
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 11
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 claims description 11
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 10
- 241000283074 Equus asinus Species 0.000 claims description 7
- 238000011161 development Methods 0.000 claims description 6
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 4
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 45
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 80
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 7
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 6
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000010006 flight Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 102400000011 Cytochrome b-c1 complex subunit 9 Human genes 0.000 description 1
- 101800000778 Cytochrome b-c1 complex subunit 9 Proteins 0.000 description 1
- 229910000737 Duralumin Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000000205 computational method Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000003913 materials processing Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64F—GROUND OR AIRCRAFT-CARRIER-DECK INSTALLATIONS SPECIALLY ADAPTED FOR USE IN CONNECTION WITH AIRCRAFT; DESIGNING, MANUFACTURING, ASSEMBLING, CLEANING, MAINTAINING OR REPAIRING AIRCRAFT, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; HANDLING, TRANSPORTING, TESTING OR INSPECTING AIRCRAFT COMPONENTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B64F5/00—Designing, manufacturing, assembling, cleaning, maintaining or repairing aircraft, not otherwise provided for; Handling, transporting, testing or inspecting aircraft components, not otherwise provided for
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Transportation (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
1. Область применения.1 area of use.
Данное изобретение относится к способам контроля и измерения параметров нагрузки (перегрузок, напряжений, усилий, моментов), воздействующих на металлические элементы конструкции, и предназначено для прогноза ресурса конструкций в ходе летных испытаний и исследований.This invention relates to methods for monitoring and measuring load parameters (overloads, stresses, forces, moments) acting on metal structural elements, and is intended to predict the life of structures during flight tests and studies.
2. Уровень техники.2. The level of technology.
К моменту начала летных испытаний отсутствуют данные о реальных нагрузках на элементы конструкции, а сведения об усталостных характеристиках элементов, как правило, недостаточно полны. Поэтому в практике летных испытаний отмечаются случаи появления усталостных трещин (или разрушений) в элементах конструкции, несмотря на относительно малое время от начала летных испытаний до появления этих трещин.By the time of the start of flight tests there are no data on the actual loads on the structural elements, and information about the fatigue characteristics of the elements, as a rule, is not complete enough. Therefore, in the practice of flight tests there are cases of the appearance of fatigue cracks (or damage) in the structural elements, despite the relatively short time from the beginning of the flight tests to the appearance of these cracks.
В настоящее время в РФ попытки прогнозирования усталостной прочности в ходе летных испытаний самолетов, предпринимаемые для повышения их уровня безопасности, выполняются с помощью оценочных расчетов с применением схематизации исходных полетных данных по методу полных циклов (МПЦ, ГОСТ 25.101-83). При этом из зарегистрированных процессов переменных напряжений выделяются так называемые полные циклы, а после их выделения - остаток или полуциклы, которые далее включаются в расчет с половинным весом.At present, in the Russian Federation, attempts to predict fatigue strength during flight tests of airplanes, undertaken to increase their safety level, are performed using estimation calculations using schematization of the original flight data using the full cycle method (MPC, GOST 25.101-83). In this case, the so-called full cycles are distinguished from the registered processes of alternating voltages, and after their separation, the remainder or half cycles, which are then included in the calculation with half weight.
В качестве характеристики усталости материала при летных испытаниях используют справочные кривые усталости, представляющие собой зависимости σ - N, где σ - наибольшее переменное напряжение, соответствующее количеству циклов до разрушения N (долговечности) или образования трещины конструктивно подобного образца (полоса с отверстием, цилиндрический образец с кольцевой выточкой и т.п.) или - очень редко - элементов реальной конструкции.As a characteristic of material fatigue during flight tests, reference fatigue curves are used, which are σ - N dependencies, where σ is the largest alternating voltage corresponding to the number of cycles to N destruction (durability) or cracking of a structurally similar sample (strip with hole, cylindrical sample with ring groove, etc.) or - very rarely - elements of the real structure.
Для кривой усталости принято использовать следующую степенную формулу:For the fatigue curve, it is customary to use the following power formula:
Nσm=C=const,Nσ m = C = const,
где в качестве σ обычно берется полуразмах напряжения цикла или его эквивалент, учитывающий асимметрию цикла, величина m называется показателем степени (или степенью) кривой усталости.where, as σ, the half-span of the stress of a cycle or its equivalent taking into account the asymmetry of the cycle is usually taken, the value m is called the exponent (or degree) of the fatigue curve.
Характерный вид кривой усталости в логарифмических координатах приведен на фиг. 1. Участок O-N1 является участком малоцикловой усталости, участок N1-NG обычно называется в самолетостроении в РФ регулярным, а при N>NG - участком многоцикловой или высокочастотной усталости. В указанных координатах последние два участка представляются наклонными прямыми, соответствующим постоянным числам m. Характерные значения N1=103-104, NG=105-107. Точка NG называется точкой перелома, если она существует.A characteristic view of the fatigue curve in logarithmic coordinates is shown in FIG. 1. The ON 1 area is a low-cycle fatigue area, the N 1 -N G section is usually called regular in aircraft manufacturing in the Russian Federation, and for N> N G it is called a multi-cycle or high-frequency fatigue section. In these coordinates, the last two sections are represented by inclined straight lines corresponding to constant numbers m. The characteristic values of N 1 = 10 3 -10 4 , N G = 10 5 -10 7 . Point N G is called the break point, if it exists.
Как правило, справочные кривые усталости, определяются на образцах (материалов, из которых изготавливаются элементы конструкции) с концентратором напряжений, изготовленных по определенному стандарту, в диапазоне 103-106 циклов для четырех уровней нагружения. Получить полностью параметры усталостной кривой вдоль всей оси N практически весьма затруднительно, особенно при N<N1, поэтому такие данные в справочной литературе обычно отсутствуют.As a rule, reference fatigue curves are determined on samples (materials from which structural elements are made) with a stress concentrator manufactured according to a certain standard, in the range of 10 3 -10 6 cycles for four loading levels. It is practically very difficult to obtain fully the parameters of the fatigue curve along the entire N axis, especially when N <N 1 , therefore, such data in the reference literature are usually not available.
После выделения полных циклов они приводятся к эквивалентным отнулевым (по растяжению) циклам напряжений при постоянном m согласно принятым в авиастроении модифицированным формулам Одинга:After the selection of complete cycles, they are reduced to equivalent neural (tensile) stress cycles at a constant m according to the modified Oding formulas adopted in the aircraft industry:
гдеWhere
σai - амплитуда i-го цикла,σ ai - the amplitude of the i-th cycle
σmi _ среднее значение i-го цикла,σ mi _ the average value of the i-th cycle
- параметр материала - material parameter
В целом традиционная методология проведения летных прочностных испытаний наиболее полно изложена в книге М.Д. Клячко и Е.В. Арнаутова («Летные прочностные испытания самолетов. Статические нагрузки». М., Машиностроение, 1985). В ней содержится описание схематизации процесса напряжений, измеренных в полете с помощью тензодатчиков, для оценки эквивалентных по повреждаемости уровней нагружения на базе формул Одинга. Более современное изложение теории схематизации и ее применения для оценок усталостной повреждаемости в ходе эксплуатации самолетов приведены в книге В.Л. Райхера («Усталостная повреждаемость». М., МАТИ, 2006).In general, the traditional methodology for conducting flight strength tests is most fully described in the book of MD. Klyachko and E.V. Arnautova ("Flight strength tests of aircraft. Static loads". M., Mashinostroenie, 1985). It contains a description of the schematization of the stress process, measured in flight using strain gauges, for estimating equivalent to the damage levels of loading on the basis of the Oding formulas. A more modern exposition of the theory of schematization and its application for assessing fatigue damage during the operation of aircraft is given in the book V.L. Reichera (“Fatigue damage”. M., MATI, 2006).
После получения эквивалентных напряжений, полагая С=1, находится условная повреждаемостьAfter obtaining equivalent stresses, assuming C = 1, the conditional damageability is found
гдеWhere
pi=1 для полных циклов и pi=1/2 для полуциклов.p i = 1 for full cycles and p i = 1/2 for half cycles.
Величина УП рассчитывается для m=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Часто принимают тогда модифицированные формулы Одинга превращаются в немодифицированный вариант.The value of the UE is calculated for m = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Often take then Oding's modified formulas turn into an unmodified version.
В заключение рассчитывается значение суммарного эквивалентного (по повреждению) напряженияIn conclusion, the calculated value of the total equivalent (damage) voltage
Положительная сторона расчета УП состоит в том, что на его основе можно оценить влияние различных m на параметры повреждаемости, включая σэкв, не привязываясь к конкретному месту конструкции и не учитывая величину С. Аналогично можно рассчитать УП и эквивалентные значения для усилий или перегрузки самолета ny путем обработки записей этих параметров, предполагая линейную связь между усилиями или перегрузками с напряжениями.The positive side of calculating UE is that, based on it, the influence of different m on damage parameters, including σ equiv , can be estimated without being tied to a specific place of construction and not taking into account C value. Similarly, you can calculate UE and equivalent values for forces or aircraft overload n y by processing the records of these parameters, assuming a linear relationship between forces or overloads with stresses.
Существенными недостатками описанной методологии являются следующие:Significant disadvantages of the described methodology are the following:
- для определения степени повреждаемости необходимо знать расчетные или лабораторно-стендовые оценки УП и σэкв, которые на начало летных испытаний либо отсутствуют, либо являются недостаточно точными;- to determine the degree of damage, it is necessary to know the calculated or laboratory and bench estimates of UE and σ eq , which are either not available at the beginning of flight tests or are not sufficiently accurate;
- расчет УП и σэкв проводятся при постоянном m, что на участке малоцикловой усталости приводит к завышенным значениям расхода ресурса, а в зоне N>NG - к заниженным значениям.- calculation of the UE and σ eq are carried out with constant m, which in the section of low-cycle fatigue leads to overestimated values of resource consumption, and in the zone N> NG - to underestimated values.
Наряду с МПЦ для оценки УП в ходе летных испытаний используется при анализе усталостной повреждаемости в ходе продолжительных стационарных по нагружению участков полета метод спектрального суммирования (МСС), в котором при постоянном m находится эквивалентная по повреждаемости частота. Расчеты УП для анализируемого режима сводятся к суммированию вычисленных на каждом назначенном участке указанного режима произведений длительности этого участка на эквивалентную частоту и на возведенную в степень m величину среднеквадратичного отклонения напряжения на участке. Влияние средней величины нагрузки на величину повреждаемости может быть учтено в МСС с помощью достаточно трудоемких итерационных вычислений локальных усталостных констант (C и m). Кроме того, МСС присущи те же недостатки, что и при оценке УП на базе МПЦ. Таким образом для использования формул Одинга (на основе МПЦ) и МСС необходимо располагать данными об изменении в ходе полета величин напряжений (нагрузок, перегрузок) и о значениях показателей m, а для МСС и констант С кривой усталости, различных для разных элементов конструкции и зависящих от материала элементов и уровня напряжений.Along with the MPC, in the course of flight tests, it is used in the analysis of fatigue damage during long stationary loading sections of the flight by the spectral summation method (MLS), in which, at a constant m, the frequency is equivalent to damage. Calculations of the UE for the analyzed mode are reduced to summing the products of the duration of this section calculated on each designated section of the specified mode for the equivalent frequency and the value of the standard deviation of the voltage on the section elevated to the power of m. The effect of the average load on the damage value can be taken into account in the MCC using fairly time-consuming iterative calculations of local fatigue constants (C and m). In addition, the MSS has the same drawbacks as when evaluating UE on the basis of the MOC. Thus, to use the Oding formulas (based on the MPC) and the MSS, it is necessary to have data on the values of stresses (loads and overloads) during the flight and on the values of the parameters m, and for the MCC and the C constants of the fatigue curve, different for different structural elements and depending from the material of the elements and the stress level.
Для получения конкретных оценок расхода ресурса вместо УП представляется более целесообразным использовать при летных испытаниях абсолютную повреждаемость с помощью расчетов на основе МПЦ и модифицированных формул Одинга по совокупности результатов выполненных полетов и прямого применения широко известной гипотезы линейного суммирования повреждаемости Палмгрена-Майнера:To obtain specific estimates of resource consumption instead of UE it seems more appropriate to use absolute damage during flight tests. using calculations based on the MPC and modified Oding formulas for the totality of the results of the flights performed and the direct application of the well-known hypothesis of linear summation of the Palmgren-Meiner damage:
где Ni - число выделенных циклов с уровнем напряжения σoi, - число циклов с уровнем до разрушения. При исчерпании ресурса полагают П=1. Именно этот подход применен в настоящей заявке.where N i - the number of selected cycles with a voltage level σ oi , - number of cycles with level before the destruction. When the resource is exhausted, P = 1 is assumed. This approach is applied in the present application.
В качестве аналогов настоящей заявки могут быть рассмотрены следующие разработки, предназначенные для мониторинга усталостной повреждаемости при экспплуатации самолетов:As analogues of this application can be considered the following developments for monitoring fatigue damage during aircraft operation:
1) патенты на изобретение: «Устройства для вычисления расхода ресурса планера самолета» №RU 2068198 от 17.06.1992 и «Способа мониторинга нагрузок и усталостной повреждаемости в условиях эксплуатации самолета» №RU 2599108 от 7.07.2015;1) patents for the invention: “Devices for calculating the consumption of the life of an airframe of an aircraft” No. RU 2068198 of 06/17/1992 and “Method for monitoring loads and fatigue damage in the conditions of aircraft operation” No. RU 2599108 of 07.07.2015;
2) методика мониторинга состояния конструкции (SHM) описанная в статье «An innovative Structural Fatigue Monitoring Solution for General Aviation Aircraft» от 2018 г. авторов Keryk С, Sabatini R., Kourousis K., Gardi A., Silva J.M., J.Aerosp. Technol. Manag.V.10, 2018.2) the methodology for monitoring the state of the structure (SHM) described in the article "2018 by the Innovative Structural Fatigue Monitoring Solution for General Aviation Aircraft" by Keryk C, Sabatini R., Kourousis K., Gardi A., Silva JM, J.Aerosp . Technol. Manag.V.10, 2018.
В первом аналоге использован подход с расчетом эквивалентных (по Одингу или по равноценному ему методу «дождя») циклов изгибающих моментов (напряжений) в назначенных проектной документацией критических по усталости точках на базе зависимостей (именуемых в первом патенте корреляциями), измеренных моментов (напряжений) для различных режимов полета от определяемой в системе объективного контроля вертикальной перегрузки в центре тяжести, а также применены построенные в ходе наземных ресурсных испытаний конструкций самолета (а не образцов материала) усталостные кривые. Применение подобного подхода в летных испытаниях существенно ограничено, так как он требует предварительной информации о зависимости изгибающих моментов от перегрузки и о характеристиках конструкции по данным стендовых ресурсных испытаний. Кроме того, данный подход не пригоден для оценок усталости элементов конструкции, нагружение которых, в основном не зависит от вертикальной перегрузки в центре тяжести. Соответствующая первому аналогу разработка использовалась при эксплуатации ряда российских гражданских самолетов.The first analogue used the approach of calculating equivalent (according to Odung or equivalent to the “rain” method) cycles of bending moments (stresses) at the fatigue-critical points assigned by the project documentation based on dependencies (referred to as correlations in the first patent), measured moments (stresses) for various flight modes from the objective control of the vertical overload in the center of gravity defined in the system, as well as built during ground-based life tests of the aircraft’s structures (and not samples material) fatigue curves. The use of this approach in flight tests is significantly limited, since it requires preliminary information about the dependence of bending moments on overload and on the characteristics of the structure according to the bench life test data. In addition, this approach is not suitable for assessing the fatigue of structural elements whose loading is largely independent of the vertical overload at the center of gravity. Corresponding to the first analogue development was used in the operation of a number of Russian civil aircraft.
Во втором аналоге предложено решение для усталостного мониторинга стареющих самолетов Австралии. При этом описанный в первом аналоге подход расширен, что естественно для более поздней разработки, за счет:In the second version, a solution is proposed for the fatigue monitoring of aging Australian aircraft. In this case, the approach described in the first analogue is expanded, which is natural for later development, due to:
- добавления к перечню корреляций вляний на эквивалентные (по методу «дождя») циклы моментов (напряжений), измеряемых в новейшем пилотажно-навигационном комплексе, горизонтальных перегрузок в центре тяжести и угловых скоростей по трем осям самолета, как твердого тела;- adding to the list of correlations of effects on equivalent (by the method of “rain”) cycles of moments (stresses) measured in the newest flight-navigation complex, horizontal overloads in the center of gravity and angular velocities along the three axes of the aircraft, as a solid;
- указания на возможность использования при модернизации отдельных элементов конструкции данных по усталостным лабораторным испытаниям образцов материалов, из которых изготовлен модернизируемый элемент.- indications of the possibility of using data on fatigue laboratory testing of samples of materials from which the upgraded element is made to be used in upgrading individual structural elements.
В обеих разработках-аналогах при сравнении эквивалентных циклов нагружения с данными лабораторных усталостных испытаний не рассматривается возможность достижения уровней нагрузок, соответствующих малоцикловой усталости. Последнее обстоятельство является их существенным недостатком, даже при мониторинге в процессе эксплуатации, так как при грубых посадках или при вынужденных обеспечением безопасности полета маневров с превышением ограничений, но не ведущих к немедленной аварии, указанные уровни могут достигаться. В подобных случаях обязательно проводится нивелировка, но остается невыясненным влияние этих случаев на расход ресурса.In both developments-analogues, when comparing equivalent load cycles with the data of laboratory fatigue tests, the possibility of achieving load levels corresponding to low-cycle fatigue is not considered. The latter circumstance is a significant drawback, even when monitored during operation, as during rough landings or when maneuvers forced to ensure flight safety with exceeding restrictions, but not leading to an immediate accident, the indicated levels can be reached. In such cases, leveling is required, but the effect of these cases on the consumption of the resource remains unclear.
Важным в случае использования усталостных кривых образцов материалов для оценки повреждаемости при летных испытаниях, или при указанной возможной модернизации отдельных элементов конструкции, является вопрос зависимости усталостных характеристик не только от материала элементов конструкции, типа нагружения (растяжение-сжатие, изгиб, кручение), условий его (окружающая среда, температура), но и от параметров концентраторов напряжений, вблизи которых обычно возникают усталостные трещины, но не измеряются напряжения (из-за их существенного изменения по длине тензодатчика). Прогнозирование повреждаемости при летных испытаниях без учета влияния концентраторов напряжений возможно лишь при наличии предварительных данных лабораторных усталостных испытаний реальных элементов конструкции самолета, изготовленных по серийной технологии и препарированных датчиками таким же образом и в тех же точках, что и в летных испытаниях. В какой-то мере острота данной проблемы несколько снижена благодаря особенностям авиационных справочников, в которых усталостные характеристики для образцов материалов даны для наиболее распространенных в самолетостроении значений коэффициентов концентрации, в основном для случая полосы с отверстием с размерами, близкими к рекомендованным для заклепочных швов. Реже приводятся данные для образцов без концентраторов напряжений, так называемых «гладких» образцов.Important in the case of using fatigue curves of material samples for assessing damage during flight tests, or when specified possible upgrading of individual structural elements, is the question of the dependence of fatigue characteristics not only on the material of structural elements, loading type (tension-compression, bending, torsion), its conditions (environment, temperature), but also on the parameters of stress concentrators, near which fatigue cracks usually occur, but stresses are not measured (due to their significant change the length of the strain gauge). Prediction of damage during flight tests, without taking into account the effect of stress concentrators, is possible only if preliminary laboratory fatigue tests of real aircraft structural elements made using serial technology and prepared by sensors are obtained in the same way and at the same points as in flight tests. To some extent, the severity of this problem is somewhat reduced due to the features of aviation reference books, in which the fatigue characteristics for samples of materials are given for the most common concentration factors in aircraft construction, mainly for the case of a strip with a hole with dimensions close to those recommended for riveted seams. Less commonly, data are given for samples without stress concentrators, the so-called “smooth” samples.
Перечисленные проблемы повреждаемости при повышенных нагрузках и недостаточной информации об усталостных характеристиках актуальны не только для летных испытаний, но и для проектирования самолетов с учетом усталости. Последний вопрос подробно изложен в работе Хэйвуда Р.Б. (Проектирование с учетом усталости. М., Машиностроение, 1969 г.). Приведенные в ней формулы позволяют дать достаточно надежные приближенные расчетные оценки в части:The above problems of damage with increased loads and insufficient information on fatigue characteristics are relevant not only for flight tests, but also for the design of aircraft with regard to fatigue. The last question is set out in detail in the work of R. Haywood. (Design taking into account fatigue. M., Mashinostroenie, 1969). The formulas in it allow to give fairly reliable approximate estimates of the estimates in the following parts:
- усталостных характеристик в области N<N1 для алюминиевых сплавов и малопрочных сталей с пределами прочности (временным сопротивлением на разрыв) σв≤1100 МПа;- fatigue characteristics in the area of N <N1 for aluminum alloys and low-strength steels with tensile strengths (temporary tensile strength) σв≤1100 MPa;
- влияния концентрации напряжений на усталостную прочность, включая случаи несимметричного нагружения.- Effects of stress concentration on fatigue strength, including cases of asymmetrical loading.
Подобные методы разработаны и рядом отечественных авторов, в том числе М.Н. Степновым для области упругих деформаций, С.В. Серенсеном и В.П. Когаевым для области упруго-пластичных деформаций. Но они требуют при вычислениях использования дополнительных допущений и констант, а также отличаются повышенной сложностью, особенно при несимметричных циклах нагружения и концентрации напряжений, что типично для самолетостроения.Similar methods have been developed by a number of domestic authors, including M.N. Stepnov for the field of elastic deformations, S.V. Serensen and V.P. Kogaev for the area of elastic-plastic deformations. But they require the use of additional assumptions and constants in the calculations, as well as they are characterized by increased complexity, especially during asymmetrical loading cycles and stress concentration, which is typical for aircraft construction.
Для адекватной оценки эквивалентных напряжений следует учесть возможное наличие монтажных (остаточных) напряжений, чему уделено специальное внимание в настоящей заявке.For an adequate assessment of equivalent voltages, the possible presence of mounting (residual) voltages should be taken into account, to which special attention is given in this application.
Проблемным также является случай повреждаемости элементов авиаконструкций при локальных, так называемых «акустических» вибрациях. Опыт летных испытаний показал, что подобная повреждаемость обычно возникает при значительном одноосевом статическом (низкочастотном) нагружении, сопровождающимся среднечастотными и высокочастотными (200÷2000 Гц) изгибными деформациями. Типовым образцом для усталостных оценок подобных элементов авиаконструкции могла бы считаться полоса с отверстием. Но в рекомендуемых способах усталостных испытаний образцов материалов отсутствуют испытания на растяжение с изгибом, соответственно отсутствуют справочные данные для этого случая.Problematic is also the case of damage to the elements of aircraft structures with local, so-called "acoustic" vibrations. The experience of flight tests showed that such damage usually occurs with significant uniaxial static (low-frequency) loading, accompanied by mid-frequency and high-frequency (200 ÷ 2000 Hz) bending deformations. A typical sample for fatigue assessments of similar elements of an aircraft design could be considered a strip with a hole. But in the recommended methods of fatigue testing of samples of materials there are no tensile tests with bending, respectively, there are no reference data for this case.
Наряду с перечисленными расчетными методами оценки расхода ресурса авиаконструкций многими авторами в РФ и за рубежом предлагается использование датчиков расхода ресурса. Однако оценки с их применением при летных прочностных исследованиях связаны с рядом недостатков, основными из которых являются следующие:Along with the listed computational methods for estimating the consumption of aircraft structures by many authors in the Russian Federation and abroad, the use of resource consumption sensors is proposed. However, assessments with their use in flight strength studies are associated with a number of shortcomings, the main of which are the following:
- невозможность по большей части установки этих датчиков в непосредственной близости от области, где возникают усталостные повреждения;- the impossibility for the most part of the installation of these sensors in the immediate vicinity of the area where fatigue damage occurs;
- заметный сигнал о начале усталостного повреждения возникает тогда, когда запас ресурса уже мал для безопасного продолжения испытаний, в том числе с учетом возможного появления критических уровней нагружения в ходе выполнения дальнейших испытательных режимов.- a noticeable signal about the beginning of fatigue damage occurs when the resource margin is already small for the safe continuation of tests, including taking into account the possible appearance of critical loading levels in the course of performing further test modes.
3. Раскрытие изобретения.3. Disclosure of the invention.
А. Технический результат.A. Technical result.
Предлагаемый способ оценки повреждаемости металлических конструкций самолетов в ходе летных испытаний позволяет на основе справочных данных по усталости образцов металлических материалов:The proposed method for assessing the damage to the metal structures of aircraft during flight tests allows, based on reference data on the fatigue of samples of metallic materials:
- оценивать повреждаемость (а не условную повреждаемость) при отсутствии достаточно полных усталостных характеристик, в частности на малоцикловом участке, на основе предложенных подходов определения усталостных характеристик для случая алюминиевых сплавов, а в случаях сталей и титановых сплавов - получения определенных, хотя и менее точных (но с дополнительным запасом) оценок повреждаемости;- assess damageability (rather than conditional damageability) in the absence of sufficiently complete fatigue characteristics, in particular at a low-cycle site, based on the proposed approaches for determining fatigue characteristics for aluminum alloys, and in cases of steels and titanium alloys - for obtaining certain, although less accurate ( but with an additional margin of damage rating;
- определять и также учитывать величины монтажных напряжений для повышения точности оценок повреждаемости;- determine and also take into account the magnitude of installation voltages to improve the accuracy of estimates of damage;
- оценивать повреждаемость тонкостенных элементов конструкции при одновременном действии изгибных и осевых напряжений.- to evaluate the damageability of thin-walled structural elements with the simultaneous action of bending and axial stresses.
Б. Существенные признаки.B. Essential features.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе оценки усталостной повреждаемости металлических элементов конструкции самолетов при летных испытаниях, включающем операции измерения в полете значений напряжений и температур тензодатчиками и термодатчиками, размещенными на различных элементах конструкции, обработку результатов этих измерений по «методу полных циклов» и теории Одинга с приведением полетных циклов напряжений к отнулевым σ0i характеризуемым максимальными значениями и числами их повторяемости Ni, сравнение результатов обработки с данными усталостных испытаний элементов конструкции или типовых образцов для расчета накопленной в течение режима (полета, совокупности полетов) повреждаемости, тензодатчики располагают вблизи критических мест конструкции, но не ближе десяти радиусов закругления в критических местах конструкции, для оценивания измеренных в полете напряжений статическую составляющую напряжений дополнительно корректирует на величину монтажных напряжений, полученную при сравнении измерений сопротивления тензодатчиков до и после монтажа элементов конструкции на самолете.To achieve this technical result in the proposed method of assessing the fatigue damage of metal elements of aircraft structure during flight tests, including the measurement of flight values of stress and temperature by strain gauges and thermal sensors placed on various structural elements, processing the results of these measurements using the "full cycle method" and theory Oding with reduction of flight stress cycles to a neutral σ 0i characterized by maximum values and numbers of their repeatability and N i , comparing the results of processing with the data of fatigue tests of structural elements or type samples for calculating the damage accumulated during the mode (flight, flight totality), strain gauges are located near the critical points of the structure, but no closer than ten radii of curvature at critical points of the structure, for evaluation the voltages measured in flight, the static component of the voltages is additionally corrected by the magnitude of the mounting voltages obtained when comparing the resistance measurements sensors before and after installation of structural elements on the plane.
- Для расчета повреждаемости при отсутствии или неполноте данных усталостных испытаний для анализируемого элемента конструкции строят расчетную модифицированную усталостную кривую в к-ых дискретных точках числа циклов Nк, дополненную (с учетом возможности возникновения при летных испытаниях нагрузок, превышающих расчетные значения) областью малоцикловой усталости (102≤Nк≤104), определяемую в зависимости от материалов конструкции, в случае алюминиевых сплавов для гладкого образца путем расчета по преобразованной формуле Хэйвуда при отнулевом нагружении - To calculate the damage in the absence or incompleteness of fatigue test data for the analyzed structural element build the estimated modified fatigue curve at the k-th discrete points of the number of cycles N c , supplemented (taking into account the possibility of occurrence during flight tests of loads exceeding the calculated values) with a low-cycle fatigue region (10 2 ≤N to ≤ 10 4 ), determined depending on the construction materials, in the case of aluminum alloys for a smooth specimen by calculating the converted Haywood formula under load conditions
гдеWhere
а2=0,00653 МПа-1,a 2 = 0,00653 MPa -1
nк=lgNк,n to = lgN to ,
σ0к - отнулевое напряжение расчетной усталостной кривой для гладкого образца в к-й точке,σ 0k is the zero voltage of the calculated fatigue curve for a smooth sample at the k-th point,
σв - временное сопротивление материала анализируемого элемента;σ in - temporary resistance of the material of the analyzed element;
для перехода к расчетной усталостной кривой образца с концентраторами напряжений отнулевые циклы корректируются в отношении эффективных коэффициентов концентрации напряжений с раздельным учетом (с помощью модифицированной формулы Одинга с параметром материала ) динамической и статической составляющих напряжений:to go to the calculated fatigue curve specimen with stress concentrators, the zero cycles are adjusted for effective stress concentration factors with separate accounting (using the modified Oding formula with the material parameter ) dynamic and static components of voltage:
с использованием вычисленных по формулам Хэйвуда эффективного коэффициента концентрации динамической составляющей напряженийusing the effective concentration ratio of the dynamic component of stresses calculated using the Haywood formulas
гдеWhere
(в ряде источников приведены значения 1/KS, часто полагают KS ≈ 1);(in a number of sources the values of 1 / K S are given , it is often assumed that K S ≈ 1);
а - коэффициент ослабления концентрации напряжений;a is the stress concentration attenuation coefficient;
ρ - радиус закругления у основания выреза или галтели (или радиус отверстия),мм;ρ - radius of curvature at the base of the notch or fillet (or radius of the hole), mm;
b - константа материала;b - material constant;
nк - десятичный логарифм разрушающего числа циклов Ni;n to - the decimal logarithm of the destructive number of cycles N i ;
(для алюминиевых сплавов); (for aluminum alloys);
(для сталей при: косл=17,7 на поперечном отверстии; (for steels with: to donkey = 17.7 at the transverse hole;
косл=14,1 на галтели, косл=10,6 на выточке); donkey = 14.1 per fillet, donkey = 10.6 at the groove);
σmax n=(σmn +σan) - максимальное усталостное номинальное напряжение на базе n=IgN=5.σ max n = (σ mn + σ an ) is the maximum fatigue rated voltage at the base n = IgN = 5.
В принципе, возможно применение разных вариантов формул Хэйвуда или других авторов, в том числе формул, не содержащих qa, но они дают результаты более далекие от справочных данных, так как недостаточно учитывают геометрию образцов и рост их чувствительности к концентрации с ростом частоты.In principle, it is possible to use different versions of Haywood or other authors, including formulas that do not contain q a , but they give results more distant from reference data, since they do not sufficiently take into account the geometry of the samples and the increase in their sensitivity to concentration with increasing frequency.
на регулярном участке (104≤N≤106) в качестве первой точки берется последняя точка малоциклового участка и используется степенная зависимость по данным для образца с концентратором, соответствующим реальной конструкции;in the regular segment (10 4 ≤N≤10 6 ), the last point of the low-cycle segment is taken as the first point and a power dependence is used according to the data for the sample with a concentrator corresponding to the actual design;
- в случае сталей на регулярном участке используются справочные данные, если справочный коэффициент концентрации соответствует конструкции, а малоцикловый участок заменяется в логарифмической шкале прямой, соединенной с точкой временного сопротивления σв на оси напряжений; если справочный коэффициент концентрации не соответствует конструкции, справочные данные о регулярном участке сначала приводятся к случаю гладкого образца и корректируются с учетом реального коэффициента концентрации, а малоцикловый участок заменяется прямой;- in the case of steels in the regular section, reference data is used if the reference concentration coefficient corresponds to the design, and the low-cycle section is replaced on a logarithmic scale with a straight line connected to the point of temporal resistance σv on the stress axis; if the reference concentration coefficient does not match the design, the reference data on the regular section is first reduced to the case of a smooth sample and corrected for the actual concentration ratio, and the low-cycle section is replaced by a straight line;
- в случае тонкостенных элементов авиаконструкций, подвергающихся одновременно повторно-статическому растяжению, а также среднечастотным и высокочастотным изгибным вибрациям, при построении усталостной кривой применяются различные значения теоретических коэффициентов концентрации - изгибного для эффективного коэффициента концентрации при перерасчете амплитуд напряжений циклов и осевого для эффективного коэффициента концентрации при перерасчете средних значений напряжений циклов;- in the case of thin-walled elements of aircraft structures that are simultaneously subjected to re-static stretching, as well as mid-frequency and high-frequency bending vibrations, different values of theoretical concentration coefficients are used in building the fatigue curve: recalculation of average values of stress cycles;
затем находят числа циклов на усталостной кривой, соответствующие уровням эквивалентных полетных циклов,then find the number of cycles on the fatigue curve corresponding to the levels of equivalent flight cycles,
где mp к,к+1 - локальный показатель усталостной кривой между смежными точками малоциклового участка, определяемый какwhere m p к, к + 1 is a local indicator of the fatigue curve between adjacent points of the low-cycle region, defined as
в заключение находятся частные от деления повторяемости Ni полных циклов (с добавлением половинных чисел остатка повторяемости, полуциклов) на числа разрушающих эквивалентных циклов в интервалах между двумя Nк, определенные по модифицированной кривой усталости в точках σ0i, и вычисляется оценка повреждаемости Пin conclusion, the quotients are found of dividing the repeatability N i of complete cycles (with the addition of half numbers of repetition remainder, half cycles) by the numbers destructive equivalent cycles in the intervals between two N k , determined by the modified fatigue curve at the points σ 0i , and the damage estimate is calculated П
окончательно вводится коэффициент запаса ηthe safety factor η is finally introduced
П(η)=ηП;P (η) = ηP;
в случае, если расход ресурса за один полет П≥0,01, рекомендуется принять меры - смягчить режимы дальнейших испытаний или следить за возможным развитием трещин на анализируемом элементе конструкции самолета.if the resource consumption per flight P is less than 0.01, it is recommended to take measures - mitigate further testing modes or monitor the possible development of cracks on the analyzed aircraft structural element.
Кроме того, для построения кривой в зоне малоцикловой усталости строится расчетная модель [σp R(N)] на участке от N=0,25 до N1=104 (R - коэффициент асимметрии нагружения). На участке 104≤N≤106 используются справочные данные, которые при необходимости корректируются. Например, в случае, если справочные значения напряжений σp R относятся к случаю коэффициента асимметрии нагружения R=0,1 (σp R=σp 0,1), значения напряжений приводятся по модифицированной формуле Одинга к величинам σp 0, соответствующим случаю отнулевого нагружения:In addition, to build a curve in the low-cycle fatigue zone, a computational model [σ p R (N)] is constructed in the section from N = 0.25 to N 1 = 10 4 (R is the loading asymmetry coefficient). At
Для построения расчетных моделей алюминиевых сплавов рассматривается случай гладкого образца. Исходный вариант рассматриваемой формулы Хэйвуда для гладких образцов алюминиевых сплавов имеет следующий вид:To construct the calculated models of aluminum alloys, the case of a smooth sample is considered. The original version of the considered Haywood formula for smooth samples of aluminum alloys has the following form:
где n=lgN; σв - предел прочности на разрыв (временное сопротивление).where n = lgN; σ in - tensile strength (temporary resistance).
По Хэйвуду не предполагается вычисление эквивалентных циклов, а тогда решающее уравнение предполагает вычисление при заданных проектом самолета σa и σm числа разрушающих циклов; подобное решающее уравнение отличается высокой степенью, и может быть решено только численно.According to Haywood, the calculation of equivalent cycles is not supposed, and then the solving equation assumes the calculation of the number of destructive cycles for σ a and σ m given by the aircraft design; such a solving equation has a high degree, and can only be solved numerically.
Ввиду того, что вычисляемая усталостная кривая не имеет явного аналитического выражения, для дальнейших расчетов на оси N назначается последовательность значений Nк, которые в дальнейшем называются реперными, в диапазоне N=0,25-106, в логарифмической шкале по возможности равномерной и достаточно частой для обеспечения приемлемой кусочно-линейной аппроксимации Due to the fact that the calculated fatigue curve does not have an explicit analytical expression, for further calculations on the N axis, a sequence of values of N k is assigned, which are referred to as reference, in the range of N = 0.25-10 6 , on a logarithmic scale as uniform as possible frequent to provide acceptable piecewise linear approximation
На участке N=102-104 выполняется расчет эквивалентных напряжений при отнулевом нагружении σ0 (для которого σai=σmi=σ0/2). Случай отнулевого нагружения приводит к упрощению решающих уравнений для формулы Хэйвуда и, следовательно, к повышению ее точности. Исходная формула Хэйвуда преобразуется к функции σ0 от σв и n:At station N = 10 2 -10 4 calculates the equivalent stress σ at otnulevom loading 0 (for which ai σ = σ = σ 0 mi / 2). The case of zero loading leads to a simplification of the solving equations for the Haywood formula and, consequently, to an increase in its accuracy. The original Haywood formula is converted to the function σ 0 from σ in and n:
(МПа), (Mpa)
где a2=0,00653 МПа-1, nк - логарифм числа циклов в к-й точке моделируемого участка усталостной кривой.where a 2 = 0.00653 MPa -1 , n к is the logarithm of the number of cycles at the k-th point of the simulated section of the fatigue curve.
Участок N=0-102 моделируется в логарифмической шкале прямой между точками σв при N=0,25 и расчетной при N=102. Для участка N=104-106 значения σ0 вычисляются на основе степенной формулыPlot N = 0-10 2 is modeled on a logarithmic straight line between points σ in with N = 0.25 and the calculated with N = 10 2 . For the plot N = 10 4 -10 6, the values of σ 0 are calculated on the basis of the power formula
lgσ2=lgσ1-(lgN2-lgN1)/mlgσ 2 = lgσ 1 - (lgN 2 -lgN 1 ) / m
с использованием справочных значений показателей m кривой усталости для образцов, обладающих теми же, что и анализируемый элемент авиаконструкции, значениями теоретических коэффициентов Kt концентрации напряжений. При этом в качестве σ0 (при N=104) берется расчетное значение последней точки участка N≤104. Достижение значений N>106 будем считать неактуальным для случая летных испытаний.using reference values of the indicators of the fatigue curve for samples that have the same values as the analyzed element of the aircraft, the values of theoretical coefficients K t stress concentration. In this case, as σ 0 (for N = 10 4 ), the calculated value of the last point of the segment N≤10 4 is taken. Achievement of values N> 10 6 will be considered irrelevant for the case of flight tests.
Для учета влияния концентраторов напряжений на усталостную прочность выполняется коррекция расчетного участка усталостной кривой по справочным данным для 102≤N≤104 и коррекция всей кривой при наличии экспериментальных данных для гладкого образца, используя, в частности, формулы, приведенные в работе Хэйвуда для эффективных коэффициентов концентрации в случае ненулевого среднего значения напряжения. Коррекция начинается с оценки или выбора на основе справочных данных величины теоретического коэффициента концентрации Кt в предполагаемо критичных по усталости точках анализируемого элемента конструкции, а также с оценки или выбора (на основе рекомендаций Хэйвуда) ряда параметров материала и геометрии этого элемента конструкции. Далее по приведенным ниже формулам Хэйвуда вычисляются значения коэффициента чувствительности к концентрации напряжений qa(N) и коэффициента концентрации Ка для полуразмахов эквивалентных напряжений, а также коэффициента концентрации Кm для средних значений эквивалентных напряжений.To take into account the effect of stress concentrators on fatigue strength, the calculated section of the fatigue curve is corrected according to reference data for 10 2 ≤N≤10 4 and the entire curve is corrected if there are experimental data for a smooth sample, using, in particular, the formulas given by Haywood for effective concentration factors in the case of a non-zero mean stress value. The correction begins with an estimate or selection based on the reference data of the value of the theoretical coefficient of concentration K t at the allegedly fatigue-critical points of the analyzed structural element, as well as the assessment or selection (based on Haywood's recommendations) of a number of material parameters and geometry of this structural element. Further, the formulas below Haywood values calculated sensitivity coefficient to the stress concentration q a (N) and the concentration ratio K and for semispan equivalent stress, as well as the concentration ratio K m values for average equivalent stress.
Из приведенных в упомянутой работе Хэйвуда графических зависимостей можно получить приближенные линейные выражения для констант b:From the graphical dependencies mentioned in the mentioned work of Haywood, one can obtain approximate linear expressions for the constants b:
1) для сталей с σв=1300…2000 МПа1) for steels with σ in = 1300 ... 2000 MPa
b=237,9-1,06⋅σв,b = 237,9-1,06⋅σ in,
2) для алюминиевых сплавов с σв=500…600 МПа (опыт сравнительных расчетов для ряда приведенных в справочниках по авиационным материалам алюминиевых сплавов показал допустимость некоторого расширения этого диапазона)2) for aluminum alloys with σ в = 500 ... 600 MPa (the experience of comparative calculations for a number of aluminum alloys listed in reference books on aviation materials showed the admissibility of a certain extension of this range)
b=363,3-5,83⋅σв.b = 363,3-5,83⋅σ in.
В принципе, возможно применение разных вариантов формул Хэйвуда или других авторов, в том числе формул, не содержащих qa, но они дают результаты более далекие от справочных данных, так как недостаточно учитывают геометрию образцов и рост их чувствительности к концентрации с ростом частоты.In principle, it is possible to use different versions of Haywood or other authors, including formulas that do not contain q a , but they give results more distant from reference data, since they do not sufficiently take into account the geometry of the samples and the increase in their sensitivity to concentration with increasing frequency.
При расчете Кm в отличие от Хэйвуда, использующего величину отношения максимального напряжения усталостной кривой на базе N=107 циклов к σв, это отношение берется на базе 105 циклов, которую применяют А.З. Воробьев и др. (Сопротивление усталости элементов конструкций, М., Машиностроение, 1990 г.). Еще более существенное отличие состоит в сочетании полученных коэффициентов концентрации Как и Кm с модифицированной формулой Одинга. В итоге получается следующая рабочая формула для расчетных значений . Для случая отнулевого нагружения для которого σак=σmк=σ0/2, используя формулу Одинга, получаем:When calculating K m, in contrast to Haywood, who uses the value of the ratio of the maximum stress of the fatigue curve on the basis of N = 10 7 cycles to σ в , this ratio is taken on the basis of 10 5 cycles, which is used by A.Z. Vorobyev et al. (Resistance to fatigue of structural elements, M., Mashinostroenie, 1990). An even more significant difference consists in combining the obtained concentration factors K ak and K m with a modified Oding formula. The result is the following working formula for the calculated values . For the case of loading otnulevogo for which ak σ = σ 0 = σ MK / 2 using the formula Oding, we obtain:
Для сталей, на которые не распространяются формулы Хэйвуда, на регулярном участке используются справочные данные, если справочные коэффициент концентрации Кt соответствует конструкции, а малоцикловый участок заменяется прямой, соединенной с точкой σв на оси напряжений. Если справочный коэффициент концентрации не соответствует конструкции, данные о регулярном участке сталей (но не титановых сплавов) сначала приводятся к случаю гладкого образца и корректируются с учетом реального коэффициента концентрации, а малоцикловый участок строится аналогично.For steels that are not covered by the Haywood formulas, reference data is used in the regular section if the reference concentration coefficient K t corresponds to the design, and the low-cycle section is replaced by a straight line connected to point σ in on the stress axis. If the reference concentration coefficient does not match the design, the data on the regular section of steel (but not titanium alloys) are first reduced to the case of a smooth sample and corrected for the real concentration ratio, and the low-cycle section is constructed similarly.
Для случая акустических вибраций тонкостенных элементов авиаконструкций, подвергающихся одновременно повторно-статическому растяжению, а также среднечастотным и высокочастотным изгибным вибрациям, при построении усталостной кривой применяются различные значения теоретических коэффициентов концентрации - изгибного для эффективного коэффициента концентрации при перерасчете амплитуд циклов и осевого для эффективного коэффициента концентрации при перерасчете средних значений циклов. При этом для получения оценок П используются вышеупомянутые оценки Кa(N) и Кm, воспользовавшись различными значениями Kt для образца в виде полосы с отверстиями. В частности, для случая полосы с отверстием при b/d=10 величина Kt=2,73 для растяжения и Kt=2,08 для изгиба (Трощенко В.Т. и др. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Справочник, ч. I, Киев, Наукова Думка, 1987 г.). Далее с применением формул Хейвуда оцениваются параметры усталостной кривой и рассчитывается прогноз повреждаемости для данного случая.For the case of acoustic vibrations of thin-walled elements of aircraft structures that are simultaneously subjected to re-static stretching, as well as mid-frequency and high-frequency bending vibrations, different values of theoretical concentration coefficients — bending for effective coefficient of concentration for recalculating amplitudes of cycles and axial for effective concentration factor for recalculation of average values of cycles. In this case, to obtain estimates of P, the aforementioned estimates of K a (N) and K m are used, using different values of K t for the sample in the form of a strip with holes. In particular, for the case of a strip with a hole at b / d = 10, the value of K t = 2.73 for stretching and K t = 2.08 for bending (Troshchenko VT and others. Fatigue resistance of metals and alloys. Reference book, h I, Kiev, Naukova Dumka, 1987). Next, using the Heywood formulas, the parameters of the fatigue curve are estimated and the prediction of damage for the given case is calculated.
Затем значения σai=σ0/2 делятся на Как, а значения σmi=σ0/2 делятся на Кm. На основе этих вычислений с использованием модифицированных формул Одинга вычисляются пониженные (за счет концентрации напряжений) расчетные эквивалентные значения Таким образом, получаются значения усталостной кривой анализируемого элемента конструкции с учетом концентрации напряжений.Then σ ai = σ 0/2 values are divided into K ac, and the values of σ mi = σ 0/2 are divided into K m. On the basis of these calculations, using the modified Oding's formulas, the calculated equivalent values are calculated (due to the stress concentration) Thus, we obtain the values of the fatigue curve of the analyzed structural element, taking into account the stress concentration.
На основе кусочно-линейной аппроксимации (при 102≤Nк≤104 на расчетном участке кривой и при 104≤Nк≤106 для кривой на основе экспериментальных данных, исправленных с учетом концентрации напряжений) находятся постоянные значения локальных показателей между двумя последовательными значениями nк=lgNк, что в свою очередь позволяет воспользоваться степенной формулой для вычисления на участках между назначенными Nк.On the basis of piecewise linear approximation (at 10 2 ≤N to ≤10 4 in the calculated part of the curve and at 10 4 ≤N to ≤ 10 6 for the curve based on experimental data corrected taking into account the stress concentration) the constant values of local indicators are found between two successive values for n = lgN k, which in turn allows us to use the formula for calculating power in the areas between the designated N to .
После применения МПЦ вычисляются эквивалентные отнулевые значения напряжений σ0i полных циклов и полуциклов, на основе σai и σmi.After the application of the MPC, the equivalent nebulous values of the stresses σ 0i of full cycles and half cycles are calculated, based on σ ai and σ mi .
Для учета влияния монтажных напряжений на усталостную прочность элементов авиаконструкции предлагается до монтажа этих элементов препарировать их тензодатчиками в точках, в которых измеряется нагружение конструкции при летных испытаниях. Измерением сопротивления тензодатчиков с высокой точностью (омметром не ниже 0,02 класса) до установки и после установки элемента определяется величина монтажного напряжения, которая добавляется к статической составляющей σmi перед вычислением эквивалентного уровня σ0i.To take into account the effect of mounting stresses on the fatigue strength of aircraft structures, it is proposed to assemble these elements with strain gauges at the points where the load on the structure is measured during flight tests before mounting these elements. Measuring the resistance of strain gauges with high accuracy (with an ohmmeter not lower than 0.02 class) before installation and after installation of the element determines the magnitude of the installation voltage, which is added to the static component σ mi before calculating the equivalent level σ 0i .
В заключение находятся частные от деления повторяемости Ni полных циклов (с добавлением половинных чисел остатка повторяемости, полуциклов) на числа разрушающих эквивалентных циклов в интервалах между двумя Nк, найденные по модифицированной кривой усталости в точках σ0i. В результате суммирования полученных отношений получаются значения накопленной (на режиме, в полете или совокупности полетов) усталостной повреждаемости П, или П(%)=П⋅100. В случае если расход ресурса за один полет П≥1%, следует принять меры - смягчить режимы дальнейших испытаний или следить за возможным развитием трещин на анализируемом элементе конструкции самолета.In conclusion, the quotients are found of dividing the repeatability N i of the complete cycles (with the addition of half numbers of the repeatability residue, half cycles) by the numbers destructive equivalent cycles in the intervals between two N c , found from the modified fatigue curve at σ 0i . As a result of summing the obtained relations, the values of the accumulated (on-flight, in-flight or flight totals) fatigue damage value are obtained, or П (%) = П⋅100. If the resource consumption per flight is ≥1%, measures should be taken - to soften the modes of further testing or to monitor the possible development of cracks on the analyzed structural element of the aircraft.
Предлагаемый способ поясняется чертежами и таблицами:The proposed method is illustrated by drawings and tables:
на фиг. 1 показан характерный вид усталостной кривой;in fig. 1 shows a characteristic view of the fatigue curve;
на фиг. 2 показана блок-схема процесса получения оценки напряжений при анализе режима (полета);in fig. 2 shows a flowchart of the process of obtaining an estimate of stresses in analyzing a mode (flight);
на фиг. 3 показана блок-схема организации процесса получения оценок повреждаемости, накопленной по ходу режима (полета);in fig. 3 shows a flowchart of the organization of the process of obtaining estimates of damage accumulated during the course (flight);
на фиг. 4 приведено сравнение значений усталостной кривой для гладкого образца материала В93, полученных при лабораторных испытаниях и с использованием предлагаемого способа;in fig. 4 shows a comparison of the fatigue curve values for a smooth specimen of material B93 obtained during laboratory tests and using the proposed method;
в таблице 1 приведен расчет реперных значений для диапазона 2≤nк≤4;Table 1 shows the calculation of the reference values. for the range of 2≤n to ≤4;
в таблице 2 приведен расчет реперных значений для диапазона 4<nк≤6;Table 2 shows the calculation of the reference values. for the
в таблице 3 приведены параметры и результаты расчета повреждаемости П;table 3 shows the parameters and results of the calculation of damage P;
в таблице 4 приведены данные лабораторных усталостных испытаний материала В93 п. ч. Т2;Table 4 shows the data of laboratory fatigue testing of material B93 p. h. T2;
в таблице 5 приведены последовательные назначенные реперные значения разрушающих циклов (nк=lgNк) при расчете по заявляемому способу.Table 5 shows the values of the successive designated fiducials destructive cycles (n = lgN to k) in the calculation of the claimed method.
На фиг. 2-3 обозначены следующие блоки и подблоки:FIG. 2-3 denote the following blocks and sub-blocks:
1. Память бортового регистратора напряжений.1. Memory of the onboard voltage recorder.
2. Память бортового регистратора параметров полета.2. Memory of the flight recorder of flight parameters.
3. Компьютер №1, предназначенный для оценки напряжений.3.
4. Электронная копия 1.4.
5. Электронная копия 2.5.
6. Напряжения (в машинных кодах).6. Stresses (in machine codes).
7. Температуры в точках, близких к точкам измерения 6.7. Temperatures at points close to measurement points 6.
8. Блок констант, предназначенных для оценок напряжений.8. A block of constants designed for stress estimation.
9. Перечни: анализируемых элементов конструкции (с их ) и испытательных режимов.9. Lists: analyzed design elements (with their ) and test modes.
10. Кроссировка точек измерения напряжений.10. Cross-point voltage measurement.
11. Маркировка каналов измерения напряжений.11. Marking of voltage measurement channels.
12. Калибровочные коэффициенты напряжений.12. Calibration coefficients of stress.
13. Электрические нули напряжений.13. Electric voltage zeros.
14. Кроссировка измерений температур 7.14. Cross measurement of
15. Маркировка каналов температур 7.15. Marking of
16. Калибровочные коэффициенты температур 7.16. Calibration coefficients of
17. Электрические нули температур 7.17.
18. Расчет исходных физических значений напряжений.18. Calculation of the initial physical values of stress.
19. Расчет исходных физических значений температур 7.19. Calculation of initial physical values of
20. Данные для расчета температурных поправок к напряжениям.20. Data for the calculation of temperature corrections to stresses.
21. Температурные поправки к значениям напряжениям.21. Temperature corrections to voltages.
22. Выделение последовательности экстремумов из процесса напряжения для схематизации его этой последовательностью.22. The selection of a sequence of extrema from the process of stress for the schematization of this sequence.
23. Выделение в последовательности экстремумов полных циклов и полуциклов.23. Selection in the sequence of extrema of complete cycles and half cycles.
24. Вычисление в каждом цикле (полуцикле) величин полуразмахов σai, образование общего массива полуразмахов для всего анализируемого режима (полета).24. Calculation in each cycle (half cycle) of the half-span values σ ai , the formation of a common array of half-squares for the entire analyzed mode (flight).
25. Вычисление в каждом цикле (полуцикле) средних значений σmi, поправка их на величину монтажного напряжения 26, образование общего массива поправленных средних значений для всего анализируемого режима (полета).25. Calculation in each cycle (half-cycle) of average values σ mi , their correction by the value of mounting
26. Данные о монтажных напряжениях.26. Data on installation voltages.
27. Вычисление эквивалентных отнулевых напряжений σ0i образование общего массива (σ0i, Ni) для всего анализируемого режима (полета).27. Calculation of equivalent neutral voltage σ 0i the formation of a common array (σ 0i , N i ) for the entire analyzed mode (flight).
28. Электронная копия результатов оценок напряжений.28. Electronic copy of the results of stress estimates.
29. Компьютер №2, предназначенный для оценок накопленной в течение режима (полета, совокупности полетов) повреждаемости П.29.
30. Блок констант: справочных значений показателей m и σв кривых усталости на регулярных участках, справочных значений параметров для вычисления эквивалентных значений σ0i, справочных значений теоретических коэффициентов Кt концентрации напряжений, коэффициентов ослабления «а» концентрации напряжений, констант b для расчетной оценки коэффициентов qa чувствительности к концентрации напряжений, максимального номинального усталостного напряжения σ(5) на базе 105, предназначенных для оценок повреждаемости П и расхода ресурса П (%), коэффициентов запаса с учетом влияния на ресурс отличия элементов конструкции от тестовых образцов.30. Block of constants: reference values of the indices m and σ in fatigue curves at regular sites, reference values of parameters for calculating equivalent values of σ 0i , reference values of theoretical coefficients K t of stress concentration, attenuation coefficients "a" of stress concentration, constants b for the estimated estimate q a coefficient of sensitivity to stress concentration, fatigue maximum rated σ (5) of the voltage based on the 10 5 intended for assessment of damage to the resource consumption and P n (%), and s ENTOV margin considering the influence on a resource differences of structural elements of the test samples.
31. Блок расчетных формул для:31. Block of calculation formulas for:
- вычисления по Хэйвуду значений σ0(σв) для диапазона N=102-104;- Heywood calculations of the values of σ 0 (σ in ) for the range N = 10 2 -10 4 ;
- вычисления σ0(m) по степенной формуле усталостной кривой для N>104;- calculating σ 0 (m) by the power formula of the fatigue curve for N> 10 4 ;
- вычисления локальных показателей mк,к+1 степеней усталостных кривых;- calculation of local indices m к, к + 1 degrees of fatigue curves;
- вычисления с использованием степенной формулы значений σ0i в точках, отличных от реперных;- calculations using the power formula of the values of σ 0i at points other than the reference;
- вычисления по специализированной формуле параметров по модифицированной формуле Одинга.- calculations by a specialized formula of parameters by a modified Oding formula.
32. Блок заданной последовательности реперных величин Nк.32. A block of a given sequence of reference values N to .
33. Вычисление реперных значений σ0(к) по преобразованным формулам Хэйвуда (для 102≤N≤104) и по степенной формуле (со справочным показателем степени m) для N>104.33. Calculation of the reference values σ 0 (k) using the converted Haywood formulas (for 10 2 ≤N≤10 4 ) and the power formula (with the reference exponent m) for N> 10 4 .
34. Вычисление коэффициентов qa чувствительности к концентрации напряжений и эффективных коэффициентов концентрации напряжений Как (для значений полуразмахов σai) и Кm (для средних значений σmi).34. The calculation of the coefficients q a sensitivity to stress concentration and the effective coefficients of stress concentration K ak (for the half-sizes σ ai ) and K m (for average values σ mi ).
35. Вычисление на основе значений σ0(к), Как и Кm откорректированных напряжений .35. Calculation based on the values of σ 0 (k), K ak and K m the corrected stresses .
36. Вычисление значений локальных показателей степени модифицированной (с учетом концентрации напряжений) кривой усталости на участках, где требуется оценка промежуточных (между реперными) значений уровней.36. The calculation of the values of local indicators the degree of modified (taking into account stress concentration) fatigue curve in areas where it is necessary to estimate intermediate (between reference) values of levels.
37. Вычисление с помощью степенной формулы (с использованием величин , , σ0i и nк) значений .37. Calculation using a power formula (using , , σ 0i and n to ) values .
38. Вычисление значений Пi. Линейное суммирование значений Пi для получения накопленной повреждаемости П и соответствующего расхода ресурса П(%), создание блока памяти этих результатов. Внесение коэффициента запаса.38. The calculation of the values of P i . Linear summation of the values of P i to obtain the accumulated damage P and the corresponding resource consumption P (%), the creation of a memory block of these results. The introduction of the safety factor.
39. Электронная копия памяти результатов.39. Electronic copy of the memory results.
На фиг. 2-3. представлена блок-схема вычислительного комплекса для реализации предлагаемого подхода.FIG. 2-3. A block diagram of the computing complex for the implementation of the proposed approach is presented.
Обработка полетных измерений выполняется в блоке 3 (компьютер №1), в который данные по указанным измерениям поступают с блоков 1 (память бортового регистратора напряжений) и 2 (память бортового регистратора параметров полета). С указанных блоков (1 и 2) информация поступает в блоки 4 и 5 электронной памяти компьютера (4 для блока 1 и 5 для блока 2). Анализ и обработка указанной информации производятся отдельно для каждого канала измерения напряжений, соответствующего тензодатчику на элементе анализируемой при летных прочностных испытаниях конструкции в каждом полетном режиме благодаря управлению от блока 9, выбирающего, в соответствии с заданием на обработку анализируемый канал и анализируемый режим полета. Подблок 9 содержится в блоке 8 - блоке констант, задаваемых оператором перед началом обработки. На основе управляющего сигнала от 9 блок 6 выбирает из блока памяти 4 электрические сигналы анализируемых напряжений и, преобразовав их машинные коды, передает кодированные значения сигналов напряжений в блок 18 для вычисления исходных физических значений напряжений. Указанные физические значения маркируются в соответствии с заданным в 9 номером канала с помощью подблока 10 (кроссировок) и подблока 11 (маркировок). Для вычисления исходных физических значений напряжений в блок 18 подаются из подблока 12 значения калибровочных коэффициентов, а из подблока 13 значения электрических нулей для напряжений. Еще одной операцией, выполняемой в блоке 18, является внесение температурных поправок. Значения температурных поправок к напряжениям определяются в блоке 21 на основе исправленных значений температур вблизи от тензодатчиков и получаемых из подблока 20 зависимостей поправок от температуры. Указанные значения температур определяются в блоке 19 после:Flight measurement processing is performed in block 3 (computer No. 1), in which data from the specified measurements are received from blocks 1 (onboard voltage recorder memory) and 2 (onboard flight parameters recorder memory). From the indicated blocks (1 and 2) the information enters the
- выбора из входящего в блок 5 подблока 7 (температур) на основе управления от 9 температурные сигналы, соответствующие анализируемому каналу напряжений;- selection of sub-block 7 (temperatures) included in
- учета кроссировки и маркировки измеряемых температур через подблоки 14 и 15;- taking into account the crossover and marking of measured temperatures through subblocks 14 and 15;
- учета соответствующих значений калибровочных коэффициентов и электрических нулей через подблоки 16 и 17.- taking into account the corresponding values of the calibration coefficients and electrical zeros through subblocks 16 and 17.
Для оценок повреждаемости определенный в блоке 18 процесс переменных напряжений преобразуется в блоке 22 в последовательность экстремумов, из которой по алгоритму метода полных циклов в блоке 23 выделяются последовательности полных циклов и полуциклов напряжений. Затем в блоке 24 вычисляются значения полуразмахов напряжений σai в циклах (полуциклах), а в блоке 25 средние значения напряжений σmi в циклах (полуциклах), и формируются соответствующие массивы. В этих же блоках значения σai и σmi маркируются особыми метками, отмечающими к какому массиву принадлежат указанные значения - к массиву для циклов или к массиву для полуциклов. В значения средних напряжений в блоке 25 добавляются соответствующие анализируемому элементу конструкции значения монтажных напряжений, оцененные в ходе монтажа самолета и содержащиеся в блоке 26. Значения σai и σmi из блоков 24 и 25 передаются затем в блок 27, где с использованием этих переменных и константы (присущей анализируемому элементу конструкции и передаваемой из 9) вычисляются по модифицированным формулам Одинга маркированные в соответствии с принадлежностью к циклам или полуциклам значения эквивалентных отнулевых напряжений σ0i. Полученные значения σ0i и числа Ni одинаковых значений σ0i передаются на электронную копию 28 результатов оценок напряжений для последующей передачи в блок 29 (компьютер №2), с помощью которого выполняется оценка накопленной за режим (полет) повреждаемости исследуемых элементов конструкции.For damage assessments, the variable voltage process defined in
В блоке 29 выполняется параллельно два вычислительных процесса:In
- расчет значений усталостных кривых в назначенных (к) реперных точках и локальных показателей степени mpк,к+1 с помощью блоков 30-36;- calculation of fatigue curve values in the assigned (k) reference points and local exponents mpk, k + 1 using blocks 30-36;
- расчет с использованием локальных степенных зависимостей разрушающих по усталости чисел Npi циклов с помощью блока 37 и повреждаемости П, накопленной в анализируемом элементе конструкции в течение режима (полета) и оцениваемой в блоке 38.- calculation using local power dependencies of fatigue-destroying numbers of Npi
Указанные расчеты выполняются в следующей последовательности.These calculations are performed in the following sequence.
В блоке 33 вычисляются реперные значения усталостной кривой при отнулевом нагружении σ0(к) с использованием переданных из блока 30 для соответствующего канала измерения значений σв (для расчета по модифицированным формулам Хэйвуда участков кривых в малоцикловой зоне), показателей степени m (для расчета участков кривых в «регулярной» зоне) и взятых из блока 32 логарифмов (nк) реперных значений чисел циклов Nк.In
Учет влияния концентраторов напряжений осуществляется путем деления реперных значений на коэффициенты концентрации напряжений. Рассматриваются σа=σm=σ0(к)/2, которые отдельно делятся на коэффициенты концентрации для амплитуды (Kа) и для среднего значения (Km), вычисляемые по формулам Хэйвуда. В выполняемых в блоке 34 расчетах указанных коэффициентов используются:Accounting for the effect of stress concentrators is done by dividing the reference values by the stress concentration factors. We consider σ a = σ m = σ 0 (k) / 2, which are separately divided into concentration factors for the amplitude (K a ) and for the average value (K m ), calculated using the Haywood formulas. In the calculations of the indicated coefficients performed in
- содержащиеся в блоке 30 присущие материалу анализируемого элемента конструкции константы (а, b) и величина минимального радиуса закругления в концентраторе;- Constants (a, b) inherent in the material of the analyzed structural element contained in
- величины nк, содержащиеся в блоке 32, используемые при расчетах значений коэффициентов qa чувствительности к концентрации.- the values of nk contained in
После этого в блоке 35 вычисляются откорректированные с помощью коэффициентов концентрации реперные значения с использованием модифицированной формулы Одинга, содержащейся в блоке 31. B блоке 37 вычисляются значения разрушающих чисел Np i циклов, соответствующие уровням эквивалентных напряжений σ0i полученным в блоке 27 компьютера №1. При указанных вычислениях используются , σ0i, nк и значения вычисленных в блоке 36 локальных степенных показателей mp к,к+1. After that, in
Наконец, в блоке 38 вычисляются искомые значения накопленной в течение режима (полета) повреждаемости П, которые передаются в блок 39 внешней электронной памяти.Finally, in
4. Примеры использования предлагаемого способа.4. Examples of the use of the proposed method.
Были независимо успешно опробованы две процедуры предлагаемого способа:Were independently successfully tested two procedures of the proposed method:
- линейное суммирование повреждаемости для прогноза расхода ресурса и исследуемой детали из нового материала, испытанной в 24 типовых опытных полетах транспортного самолета;- linear summation of damage for the prediction of the consumption of the resource and the investigated part from a new material, tested in 24 typical pilot flights of a transport aircraft;
- оценка монтажных напряжений для прогнозирования сроков службы трубопроводов.- Assessment of mounting stresses to predict pipeline service lives.
4.1. Применение линейного суммирования для оценки повреждаемости в осредненном типовом опытном полете и сравнение расчетной (с использованием преобразованных формул Хэйвуда) усталостной кривой с материалами лабораторных усталостных испытаний.4.1. Use linear summation to estimate damage in average typical experimental flight and compare calculated (using converted Haywood formulas) fatigue curve with laboratory fatigue test materials.
а) Использованные константы.a) Constants used.
Марка материала - алюминиевый сплав В93 п. ч. Т2. Предел прочности на разрыв В93 п. ч. Т2 σв=450 МПа.Material grade - aluminum alloy В93 p. H. T2. The tensile strength of B93 in p. H. T2 σ in = 450 MPa.
Справочное значение показателя степени «регулярного» участка кривой усталости гладкого образца В93 п. ч. Т2 mспр=4,77.The reference value of the exponent of the “regular” part of the fatigue curve of a smooth specimen B93 n. H. T2 m spr = 4.77.
Тип кривой усталости - отнулевое эквивалентное нагружение σ0(N).The type of the fatigue curve is a neutral equivalent load σ 0 (N).
Величина теоретического коэффициента концентрации Кt=2,6.The value of the theoretical concentration coefficient K t = 2.6.
Константа материала для вычисления по модифицированной формуле Одинга эквивалентных значений нагружения Material constant for calculation by the modified Oding formula of equivalent loading values
Назначенные значения Nк и nк:Assigned values of N to and n to :
- Nк=100; 316,2278; 1000; 3162,278; 10000; 31622,78; 100000; 316227,8; 10000000; 3162278; 100000;- N to = 100; 316.2278; 1000; 3162,278; 10,000; 31622.78; 100,000; 316227.8; 10,000,000; 3162278; 100,000;
- nк=lgNк=2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; 6; 6,5; 7.- n to = lgN to = 2; 2.5; 3; 3.5; four; 4.5; five; 5.5; 6; 6.5; 7
Коэффициент ослабления концентрации напряжений в рассматриваемом алюминиевом сплаве а=(a1/σв)6=0,0606 мм, a1=282 МПа⋅мм1/6; (а/ρ)0,5=0,142. Радиус закругления в предполагаемом в качестве критического по усталости месте ρ=3 мм.The stress concentration attenuation coefficient in the aluminum alloy under consideration is a = (a 1 / σ в ) 6 = 0.0606 mm, a 1 = 282 MPa⋅mm 1/6 ; (a / ρ) 0.5 = 0.142. The radius of curvature in the assumed fatigue critical place is ρ = 3 mm.
Параметр материала для расчета коэффициента чувствительности qa к концентрации напряжений b=100.The material parameter for calculating the sensitivity coefficient q a to stress concentration is b = 100.
Характерное для данного материала отношение предела усталостной прочности на базе 105 к пределу его прочности на разрыв σ(nк=5)/σв=0,496.The characteristic ratio for a given material limit fatigue strength based on the 10 5 to the limit of its tensile strength σ (n k = 5) / σ a = 0.496.
б) Данные для расчета: полученные по результатам обработки полетных материалов на компьютере №1 значения (соответствуют пункту 27 блок-схемы на фиг. 2) величины эквивалентных отнулевых напряжений σ0i на анализируемом режиме полета.b) Data for calculation: the values obtained from the results of flight materials processing on computer No. 1 (correspond to
в) Вычислительные процедуры.c) Computational procedures.
Вычисляются «реперные» уровни напряжений по преобразованной формуле Хэйвуда (1) при 2≤nк≤4 (соответствует пункту 33 блок-схемы на фиг. 3).“Reference” voltage levels are calculated using the converted Haywood formula (1) at 2≤n to ≤4 (corresponds to
Находятся «реперные» уровни напряжений (пункт 33 блок-схемы) по степенным формулам при 4<nк≤6:“Reference” stress levels are found (
Рассчитываются значения коэффициента чувствительности (пункт 34 блок-схемы) по формуле (4).The sensitivity coefficient values are calculated (
Вычисляются значения эффективных коэффициентов Kак концентрации полуразмахов напряжений (пункт 34 блок-схемы) по формуле (2) при Кs=1.The values of the effective coefficients K ak of the concentration of half-ranges of stress (
Вычисляется эффективный коэффициент Km концентрации средних значений напряжений (пункт 34 блок-схемы) по формуле (3): Km=1,308 при Кs=1.The effective coefficient K m of concentration of average stress values (
Вычисляются эквивалентные (отнулевые) расчетные значений (с учетом концентрации) (пункт 35 блок-схемы) по формуле (5).Calculate the equivalent (nezuli) calculated values (taking into account the concentration) (
Вычисляются значения локальных показателей степеней расчетной модифицированной усталостной кривой (пункт 36 блок-схемы):The values of the local exponents of the calculated design fatigue curve are calculated (
Вычисляются с использования локальных степенных зависимостей разрушающие по усталости чисела циклов для каждого получаемого в полете эквивалентного значения σ0i (пункт 37 блок-схемы):Calculated from the use of local power dependences destructive by fatigue numbers cycles for each equivalent σ 0i value obtained in flight (
Вычисляются для анализируемого режима (полета) повреждаемости П, т.е. отношения вычисленных на компьютере №1 чисел Ni зарегистрированных в полете циклов (с добавлением половинных чисел полуциклов) к числам соответствующих , которые суммируются для получения оценок П и П(%) (пункт 38 блок-схемы):Calculated for the analyzed mode (flight) damageability P, i.e. the ratio of the numbers N i recorded in flight cycles (with the addition of half numbers of half cycles) calculated on computer No. 1 to the numbers of the corresponding , which are summarized to obtain estimates of P and P (%) (
На заключительной стадии вносится коэффициент запаса η: П(η)=Пη, и создается электронная копия результатов.At the final stage, the safety factor η is entered: P (η) = Pη, and an electronic copy of the results is created.
г) Результаты расчетов по указанным формулам.d) The results of calculations using the specified formulas.
Результаты расчетов приведены в таблицах №1-3. Полученное значение повреждаемости П=0,003149, достигнутое в осредненном типовом полете, соответствует исчерпанию ресурса в среднем в течение 1/П=633 полета без учета необходимого запаса, а с учетом минимального коэффициента запаса η, скажем η=3, позволит без повреждений выполнить 211 полетов. Однако, очевидно, что материал В93 п. ч. Т2 для исследуемой детали при отмеченных нагрузках использовать невозможно ввиду несоответствия расчетного ресурса с потребным при длительной эксплуатации.The results of the calculations are given in Tables 1-3. The obtained damage value P = 0.003149, achieved in a typical type flight, corresponds to the average resource exhaustion within 1 / P = 633 flights without taking into account the required reserve, and taking into account the minimum safety factor η, say η = 3, will allow 211 flights. However, it is obvious that the material В93 p. H. T2 for the investigated part with marked loads cannot be used due to the mismatch of the calculated resource with the required one for long-term operation.
д) Сравнение расчетной усталостной кривой с материалами лабораторных усталостных испытаний.e) Comparison of the calculated fatigue curve with laboratory fatigue test materials.
При подготовке к исследованию повреждаемости детали из материала В93 п. ч. Т2 была получена в лаборатории одного из ОКБ в широком диапазоне чисел разрушающих циклов усталостная кривая Ni(σ0i) для гладкого образца указанного материала, включая малоцикловый участок. Данные этих испытаний приведены на фиг. 3 и в таблице 4.In preparation for the study of damageability of a part from material B93, part t. T2 was obtained in the laboratory of one of the design bureau in a wide range of numbers of destructive cycles fatigue curve N i (σ 0i ) for a smooth sample of the specified material, including a low-cycle portion. The data from these tests are shown in FIG. 3 and in table 4.
С данными таблицы 4 можно сравнить данные таблицы 5, содержащей последовательные назначенные реперные значения nк=lgNк разрушающих циклов и соответствующие им вычисленные по заявляемому способу значения σ0к максимальных отнулевых напряжений (выдержки из таблиц 1 и 2).From the data in Table 4 can be compared to the data in Table 5, comprising successive designated fiducials values n = lgN to a destructive cycles and the corresponding computed values of the claimed method σ 0k otnulevyh maximum stress (extracts from Tables 1 and 2).
Результаты указанного сравнения наглядно проиллюстрированы на фиг. 4. Эти таблицы подтверждают хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных.The results of this comparison are clearly illustrated in FIG. 4. These tables confirm good agreement between experimental and calculated data.
4.2. Оценка монтажных напряжений для прогнозирования сроков службы трубопроводов.4.2. Assessment of mounting stresses to predict pipeline life.
а) Общие рекомендации на основе опыта применения способа.a) General recommendations based on experience with the method.
Тензометрический способ измерения деформаций при монтаже можно использовать в случае возможности наклейки тензодатчиков на исследуемые элементы конструкции (например, на трубопроводы систем) до их монтажа на объекте летных испытаний и проведения летных испытаний с наклеенными тензодатчиками.The strain gauge method of measuring strain during installation can be used if the strain gages can be applied to the studied structural elements (for example, to the pipelines of systems) before they are mounted on the flight test object and to conduct flight tests with glued load cells.
При отработке такой технологии для измерения сопротивления тензодатчиков, проводимого до и после монтажа, использовался цифровой омметр Щ-34. При перерыве в измерениях до и после монтажа на объекте, не превышающем 2 дней, и наличии винтовых клемм для присоединения датчиков к прибору (в целях снижения и обеспечения стабильности контактного сопротивления) погрешности измерения монтажных напряжений составляли: ±20 МПа на стали; ±10 МПа на титане; ±7 МПа на дюрале.When developing this technology, a digital Ohm-34 ohmmeter was used to measure the resistance of strain gauges carried out before and after installation. With a break in the measurements before and after installation on the object, not exceeding 2 days, and the presence of screw terminals for connecting the sensors to the device (in order to reduce and ensure the stability of the contact resistance) measurement errors of the mounting voltages were: ± 20 MPa on steel; ± 10 MPa on titanium; ± 7 MPa on the duralumin.
б) Рекомендуемая последовательность операций.b) Recommended sequence of operations.
1. Отбор тензодатчиков по сопротивлению (R0=200±0,1 Ом). Для стабильности тензочувствительности S тензодатчики должны принадлежать к одной партии. Припайка к ним выводных концов.1. Selection of strain gauges for resistance (R 0 = 200 ± 0.1 Ohm). For stability of strain gages S strain sensors must belong to the same batch. Soldering to them output ends.
2. Подготовка мест наклейки тензодатчиков (зашкуривание, обезжиривание и т.д.).2. Preparation of places of the load cell sticker (sanding, degreasing, etc.).
3. Наклейка тензодатчиков по принятой технологии.3. Sticker strain gauges according to the adopted technology.
4. Подготовка элемента к монтажу на объекте.4. Preparation of the element for installation at the facility.
5. Измерение сопротивления RCB тензодатчиков, наклеенных на элемент, до монтажа элемента на объекте при температуре, при которой будет измеряться сопротивление и после монтажа.5. Measurement of resistance R CB of strain gauges pasted on the element before the element is mounted on the object at the temperature at which the resistance will be measured and after installation.
6. Монтаж элемента на объекте и выдержка объекта со смонтированным элементом при постоянной температуре не менее 4 часов.6. Installation of the element on the object and exposure of the object with the mounted element at a constant temperature of at least 4 hours.
7. Измерение сопротивления тензодатчиков, предназначенных для оценки монтажных напряжений.7. Measurement of the resistance of strain gauges designed to assess mounting voltages.
8. Вычисление монтажных напряжений σм 8. Calculation of mounting stresses σ m
σм=(RM-RСВ)⋅E/(RСВ⋅S),σ m = (R M -R SV ) ⋅E / (R SV ⋅S),
гдеWhere
RСВ и RM - соответственно сопротивления тензодатчиков, измеренные до монтажа и после монтажа на объекте,R CB and R M - respectively, the resistance of the strain gauges, measured before installation and after installation on the object,
S - коэффициент тензочувствительности тензодатчиков, указанный в паспорте партии тензодатчиков,S is the coefficient of strain sensors of strain gauges specified in the passport of the lot of strain gauges,
Е - модуль упругости.E is the modulus of elasticity.
в) Обзор опыта использования тензометрического способа оценки монтажных напряжений.c) Review of the experience of using strain gauge method for estimating mounting stresses.
Тензометрический способ оценки монтажных напряжений был успешно применен при летных прочностных исследованиях трубопроводов систем самолетов: Як-42, Ил-76, Ан-74 и т.д. При этом было установлено, что монтажные напряжения в трубопроводах могут достигать существенных значений (до 200 МПа в случае стальных трубопроводов) и заметно (до 70 МПа) изменяться от монтажа к монтажу для одной и той же точки, что может происходить, например, при ремонтах, заменах двигателей и др. агрегатов.The strain gauge method of estimating the mounting stresses was successfully applied during flight strength studies of the aircraft’s pipelines: Yak-42, Il-76, An-74, etc. It was found that installation voltages in pipelines can reach significant values (up to 200 MPa in the case of steel pipelines) and noticeably (up to 70 MPa) change from installation to installation for the same point, which can occur, for example, during repairs , replacement engines and other units.
Этим показано, что учет монтажных напряжений играет важную роль при оценке ресурса элементов конструкции ЛА на этапе летных прочностных испытаний.This shows that the consideration of assembly stresses plays an important role in the assessment of the life of aircraft structural elements at the stage of flight strength tests.
Claims (37)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018133274A RU2687228C1 (en) | 2018-09-20 | 2018-09-20 | Method for assessing fatigue damaging metal elements of aircraft structures during flight tests based on an extended modified fatigue curve |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018133274A RU2687228C1 (en) | 2018-09-20 | 2018-09-20 | Method for assessing fatigue damaging metal elements of aircraft structures during flight tests based on an extended modified fatigue curve |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2687228C1 true RU2687228C1 (en) | 2019-05-07 |
Family
ID=66430623
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018133274A RU2687228C1 (en) | 2018-09-20 | 2018-09-20 | Method for assessing fatigue damaging metal elements of aircraft structures during flight tests based on an extended modified fatigue curve |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2687228C1 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113933086A (en) * | 2021-12-17 | 2022-01-14 | 中国飞机强度研究所 | Method for optimizing cutting condition of low-temperature environment test of complete airplane in laboratory |
RU2765164C1 (en) * | 2020-02-28 | 2022-01-26 | Ратье-Фижак САС | Propeller technical condition control based on use rate |
CN114282308A (en) * | 2021-12-31 | 2022-04-05 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | Airplane fatigue life calculation method under multi-task profile |
CN114815935A (en) * | 2022-04-11 | 2022-07-29 | 中国兵器装备集团西南技术工程研究所 | Environmental test condition cutting method and environmental test control system based on equipment environmental profile and environmental equivalent analysis |
CN115343201A (en) * | 2022-05-31 | 2022-11-15 | 山东大学 | A test method for water filling test of gap ratio of arched stone-filled subgrade of belt road |
CN117390891A (en) * | 2023-11-15 | 2024-01-12 | 中航通飞华南飞机工业有限公司 | A rapid assessment method for vibration fatigue life of aircraft structures |
CN118362893A (en) * | 2024-06-20 | 2024-07-19 | 烟台海博电气设备有限公司 | BMS voltage sampling self-calibration method and system |
CN119197966A (en) * | 2024-10-10 | 2024-12-27 | 国网上海市电力公司 | An impact test method for a new 10kV pole-mounted vacuum circuit breaker visible base |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2068198C1 (en) * | 1992-06-17 | 1996-10-20 | Анатолий Иванович Фролков | Device for calculation of resource consumption of airframe of airplane |
RU2599108C1 (en) * | 2015-07-07 | 2016-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of monitoring loads and accumulated fatigue damage in operating conditions of aircraft |
-
2018
- 2018-09-20 RU RU2018133274A patent/RU2687228C1/en active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2068198C1 (en) * | 1992-06-17 | 1996-10-20 | Анатолий Иванович Фролков | Device for calculation of resource consumption of airframe of airplane |
RU2599108C1 (en) * | 2015-07-07 | 2016-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of monitoring loads and accumulated fatigue damage in operating conditions of aircraft |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
KERYK C. et al. "AN INNOVATIVE STRUCTURAL FATIGUE MONITORING SOLUTION FOR GENERAL AVIATION AIRCRAFT", J. AEROSPACE TECHNOLY AND MANAGEMENT, V.10, 2018. * |
KERYK C. et al. "AN INNOVATIVE STRUCTURAL FATIGUE MONITORING SOLUTION FOR GENERAL AVIATION AIRCRAFT", J. AEROSPACE TECHNOLY AND MANAGEMENT, V.10, 2018. А.Н. ЛОШКАРЕВ. "МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НАГРУЖЕНИЯ", ЭЛЕКТРОННЫЙ ЖУРНАЛ "ТРУДЫ МАИ", ВЫПУСК 52, 2012. * |
А.Н. ЛОШКАРЕВ. "МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НАГРУЖЕНИЯ", ЭЛЕКТРОННЫЙ ЖУРНАЛ "ТРУДЫ МАИ", ВЫПУСК 52, 2012. * |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2765164C1 (en) * | 2020-02-28 | 2022-01-26 | Ратье-Фижак САС | Propeller technical condition control based on use rate |
US11673685B2 (en) | 2020-02-28 | 2023-06-13 | Ratier-Figeac Sas | Usage based propeller life monitoring |
CN113933086A (en) * | 2021-12-17 | 2022-01-14 | 中国飞机强度研究所 | Method for optimizing cutting condition of low-temperature environment test of complete airplane in laboratory |
CN113933086B (en) * | 2021-12-17 | 2022-02-22 | 中国飞机强度研究所 | Method for optimizing cutting condition of low-temperature environment test of complete airplane in laboratory |
CN114282308A (en) * | 2021-12-31 | 2022-04-05 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | Airplane fatigue life calculation method under multi-task profile |
CN114815935A (en) * | 2022-04-11 | 2022-07-29 | 中国兵器装备集团西南技术工程研究所 | Environmental test condition cutting method and environmental test control system based on equipment environmental profile and environmental equivalent analysis |
CN114815935B (en) * | 2022-04-11 | 2023-10-13 | 中国兵器装备集团西南技术工程研究所 | Environment test condition cutting method and environment test control system |
CN115343201A (en) * | 2022-05-31 | 2022-11-15 | 山东大学 | A test method for water filling test of gap ratio of arched stone-filled subgrade of belt road |
CN117390891A (en) * | 2023-11-15 | 2024-01-12 | 中航通飞华南飞机工业有限公司 | A rapid assessment method for vibration fatigue life of aircraft structures |
CN118362893A (en) * | 2024-06-20 | 2024-07-19 | 烟台海博电气设备有限公司 | BMS voltage sampling self-calibration method and system |
CN119197966A (en) * | 2024-10-10 | 2024-12-27 | 国网上海市电力公司 | An impact test method for a new 10kV pole-mounted vacuum circuit breaker visible base |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2687228C1 (en) | Method for assessing fatigue damaging metal elements of aircraft structures during flight tests based on an extended modified fatigue curve | |
Kim et al. | Damage identification in beam-type structures: frequency-based method vs mode-shape-based method | |
US20090306909A1 (en) | Method for evaluating measured values for identifying a material fatigue | |
US5736645A (en) | Method of predicting crack initiation based fatigue life | |
US20110054840A1 (en) | Failure prediction of complex structures under arbitrary time-serial loading condition | |
US5652386A (en) | Method and apparatus for predicting sturctural integrity by estimating modal damping factor | |
RU2604820C1 (en) | Method for assessing fire resistance of reinforced concrete truss of building | |
Ye et al. | Master S-N Curve-Based Fatigue Life Assessment of Steel Bridges Using Finite Element Model and Field Monitoring Data | |
Braml et al. | Assessment of existing structures using probabilistic analysis methods in combination with nondestructive testing methods | |
Wang et al. | Fatigue reliability updating evaluation of existing steel bridges | |
Feng et al. | Enhanced real-time crack monitoring and updating in welded structural components with limited measurement data | |
RU2281482C2 (en) | Method to determine fire-resistance of compressed reinforced concrete building structure members | |
Kamal et al. | Multiaxial fatigue life modelling using hybrid approach of critical plane and genetic algorithm | |
CN114492074A (en) | Probabilistic damage tolerance assessment analysis method | |
RU2699918C1 (en) | Diagnostic method of technical state of buildings and structures | |
Cramer et al. | Predicting lumber tensile stiffness and strength with local grain angle measurements and failure analysis | |
Ismail et al. | Examining the trend in loss of flexural stiffness of simply supported RC beams with various crack severity using model updating | |
Amaravadi et al. | Structural integrity monitoring of composite patch repairs using wavelet analysis and neural networks | |
Roebuck et al. | Data acquisition and analysis of tensile properties for metal matrix composites | |
Nikitenko | Evaluation of elements loading in the metal structures of powered support units | |
Giagopoulos et al. | Dynamic response estimation and fatigue prediction in a linear substructure of a complex mechanical assembly | |
Mahmood et al. | A model for creep life prediction of thin tube using strain energy density as a function of stress triaxiality under quasistatic loading employing elastic-creep & elastic-plastic-creep deformation | |
RU2674570C1 (en) | Method for evaluating fire resistance of reinforced concrete slab with pinched contour | |
Molent et al. | Verification of an airframe fatigue life monitoring system using ex-service structure | |
Wallbrink et al. | A Strain-Life Module for CGAP: Theory, User Guide and Examples. |