Испытания на усталость - это специализированная форма механических испытаний, которые выполняются путем приложения циклической нагрузки к купону или конструкции. Эти испытания используются либо для получения данных о усталостной долговечности и роста трещин, определения критических мест, либо для демонстрации безопасности конструкции, которая может быть подвержена усталости. Испытания на усталость используются для различных компонентов, от купонов до полноразмерных испытательных изделий, таких как автомобили и самолеты .
Испытания на усталость купонов обычно проводятся с использованием сервогидравлических испытательных машин, которые способны выдерживать циклические нагрузки большой переменной амплитуды . [2] Проверка постоянной амплитуды может также применяться на более простых колебательных машинах. Усталостная долговечность купона является количеством циклов, необходимым для разорвать купон. Эти данные могут быть использованы для построения кривых стресс-долговечности или деформации-долговечности. Скорость роста трещины в купоне также может быть измерена либо во время испытания, либо после него с помощью фрактографии . Тестирование купонов также может проводиться в камерах с окружающей средой, где можно контролировать температуру, влажность и окружающую среду, которые могут повлиять на скорость роста трещин.
Из-за размера и уникальной формы полноразмерных образцов для испытаний созданы специальные испытательные стенды для приложения нагрузок с помощью ряда гидравлических или электрических приводов . Приводы предназначены для воспроизведения значительных нагрузок, испытываемых конструкцией, которая в случае самолета может состоять из маневров, порывов ветра, ударов и нагрузки земля-воздух-земля (GAG). Репрезентативный образец или блок нагрузки применяется повторно до тех пор, пока не будет продемонстрирован безопасный срок службы конструкции или пока не возникнут отказы, которые необходимо отремонтировать. Измерительные приборы , такие как тензодатчики , тензорезисторы и смещения датчиков установлены на конструкции , чтобы гарантировать , было применен правильной нагрузку. Проводятся периодические осмотры конструкции вокруг критических концентраций напряжений, таких как отверстия и фитинги, для определения времени обнаружения обнаруживаемых трещин и для обеспечения того, чтобы любые возникающие трещины не влияли на другие области исследуемого изделия. Поскольку не все нагрузки могут быть приложены, любые несбалансированные нагрузки на конструкцию обычно передаются на испытательный пол через некритическую конструкцию, такую как ходовая часть.
Стандарты летной годности обычно требуют проведения испытаний на усталость больших самолетов до сертификации, чтобы определить их безопасный срок службы . [3] Малые воздушные суда могут продемонстрировать безопасность посредством расчетов, хотя обычно используются более высокие коэффициенты разброса или безопасности из-за связанной с этим дополнительной неопределенности.
Купонные тесты
Испытания на усталость используются для получения данных о материалах, таких как скорость роста усталостной трещины, которые можно использовать с уравнениями роста трещин для прогнозирования усталостной долговечности. Эти испытания обычно определяют скорость роста трещины за цикл.в зависимости от диапазона коэффициента интенсивности напряжений, где минимальный коэффициент интенсивности напряжений соответствует минимальной нагрузке для и принимается равным нулю при , а также коэффициент напряжений . Были разработаны стандартизированные тесты, чтобы гарантировать повторяемость и позволить легко определить коэффициент интенсивности напряжений, но могут использоваться и другие формы при условии, что купон достаточно большой, чтобы быть в основном эластичным. [4]
Форма купона
Можно использовать различные купоны, но некоторые из наиболее распространенных:
- компактный талон на натяжение (CT). В компактном образце используется наименьшее количество материала для образца, который используется для измерения роста трещин. [4] Компактные образцы на растяжение обычно используют штифты, которые немного меньше отверстий в купоне для приложения нагрузок. Однако этот метод предотвращает точное приложение нагрузок, близких к нулю, и поэтому купон не рекомендуется, когда необходимо приложить отрицательные нагрузки. [4]
- Центральная растрескавшаяся панель натяжения (CCT). Образец среднего или среднего растяжения с трещиной в центре изготавливается из плоского листа или стержня с двумя отверстиями для крепления к зажимам.
- Купон на натяжение с односторонним надрезом (ОТПРАВЛЕН). [5] Односторонний купон представляет собой удлиненную версию компактного купона на натяжение.
Формулы для диапазона интенсивности напряжений |
---|
Компактный образец растяженияРекомендуемая толщина . [4] Диапазон интенсивности напряжений для компактных купонов можно рассчитать от приложенной нагрузки для образца шириной используя [4] где а также длина трещины и расстояние между приложенной нагрузкой и лицевой стороной купона. Это уравнение справедливо для. Образец растяжения с центральной трещинойЭтот купон имеет центральную трещину длиной . Следующие эмпирические критерии используются для обеспечения того, чтобы образец был достаточно большим, чтобы гарантировать соблюдение предположения о линейной механике упругого разрушения [4] где - предел текучести смещения 0,2% и - толщина купона. Диапазон интенсивности напряжений для купона можно рассчитать по [4] Образец односторонней трещиныЭтот купон с боковой трещиной длиной . Минимальный размер образца указан по [4] Диапазон интенсивности напряжения для этого купона составляет [4] где является а также является а также . |
Приборы
Следующие инструменты обычно используются для мониторинга тестов купонов:
- Тензодатчики используются для контроля приложенных полей нагрузки или напряжений вокруг вершины трещины. Их можно разместить под траекторией трещины или на обратной стороне компактного купона на растяжение. [6]
- Экстенсометр или смещение калибровочных может быть использован для измерения вершины трещины открытия смещение в устье трещины. Это значение можно использовать для определения коэффициента интенсивности напряжения, который будет изменяться с длиной трещины. Измерители смещения также могут использоваться для измерения податливости образца и положения во время цикла нагружения, когда происходит контакт между противоположными поверхностями трещины, чтобы измерить закрытие трещины .
- Применяемые испытательные нагрузки обычно контролируются на испытательной машине с датчиком нагрузки.
- Передвижной оптический микроскоп можно использовать для измерения положения вершины трещины.
Полномасштабные испытания на усталость
Натурные испытания могут использоваться для:
- Подтвердите предложенный график технического обслуживания воздушного судна.
- Продемонстрировать безопасность конструкции, которая может быть подвержена обширным усталостным повреждениям.
- Создание данных об утомляемости
- Подтвердите ожидания относительно зарождения трещин и модели роста.
- Определите критические места
- Валидация программного обеспечения, используемого при проектировании и производстве самолета.
Испытания на усталость также можно использовать для определения степени, в которой широко распространенное усталостное повреждение может быть проблемой.
Тестовая статья
Сертификация требует знания и учета всей истории нагрузок, испытанных в тестовой статье. Использование испытательных изделий, которые ранее использовались для статических контрольных испытаний , вызывало проблемы, связанные с перегрузками , которые могут замедлить скорость роста усталостных трещин.
Испытательные нагрузки обычно регистрируются с использованием системы сбора данных, собирающей данные, возможно, от тысяч входов от приборов, установленных на испытываемом изделии, включая тензодатчики, датчики давления, весоизмерительные ячейки, LVDT и т. Д.
Усталостные трещины обычно возникают из-за участков с высоким напряжением, таких как концентрации напряжений или дефекты материала и изготовления. Важно, чтобы тестовая статья отражала все эти особенности.
Трещины могут возникать из следующих источников:
- Фреттинг , как правило, от динамических нагрузок с большим числом циклов.
- Неправильно просверленные отверстия или отверстия неправильного размера для крепежных деталей с натягом . [7]
- Обработка материала и дефекты, такие как сломанные включения . [8]
- Концентрации напряжений, такие как отверстия и галтели.
- Царапины, повреждения от ударов.
Последовательность загрузки
Репрезентативный блок нагрузки применяется повторно, пока не будет продемонстрирован безопасный срок службы конструкции или пока не возникнут отказы, которые необходимо отремонтировать. Размер последовательности выбирается таким образом, чтобы максимальные нагрузки, которые могут вызвать эффекты замедления, применялись достаточно часто, обычно не менее десяти раз на протяжении всего испытания, чтобы не было эффектов последовательности. [9]
Последовательность нагружения обычно фильтруется, чтобы исключить применение небольших циклов неуталостного повреждения, выполнение которых потребовало бы слишком много времени. Обычно используются два типа фильтрации:
- Фильтрация зоны нечувствительности исключает небольшие циклы, которые полностью попадают в определенный диапазон, например +/- 3g.
- Фильтрация по возрастанию-падению устраняет небольшие циклы, которые меньше определенного диапазона, например 1g.
Частота тестирования больших конструкций обычно ограничивается несколькими Гц и должна избегать резонансной частоты конструкции. [10]
Испытательный стенд
Все компоненты, которые не являются частью испытуемого объекта или приборов, называются испытательным стендом . Следующие компоненты обычно обнаруживаются при полномасштабных испытаниях на усталость :
- Уиффлетрис . Чтобы приложить правильные нагрузки к различным частям конструкции, используется механизм, известный как whiffletree, для распределения нагрузок от нагружающего привода на испытуемое изделие. Нагрузки, приложенные к центральной точке, распределяются через серию соединенных штифтов балок для создания известных нагрузок на концевых соединениях. Каждое торцевое соединение обычно прикрепляется к подушке, которая прикрепляется к конструкции, такой как крыло самолета. Обычно применяются сотни подушек для воспроизведения аэродинамических и инерционных нагрузок, наблюдаемых на крыле. Поскольку ветровое дерево состоит из натяжных звеньев, они не могут прикладывать сжимающие нагрузки, и поэтому независимые ветровики обычно используются на верхней и нижней сторонах усталостных испытаний крыла.
- Гидравлические, электромагнитные или пневматические приводы используются для приложения нагрузок к конструкции либо напрямую, либо посредством использования виффлетри для распределения нагрузок. Датчик нагрузки размещается на одной линии с приводом и используется контроллером нагрузки для управления нагрузками на привод. Когда на гибкой испытательной конструкции используется много исполнительных механизмов, между различными исполнительными механизмами может происходить перекрестное взаимодействие. Контроллер нагрузки должен гарантировать, что в результате этого взаимодействия к конструкции не будут применены циклы ложных нагрузок.
- Ограничения реакции. На многие нагрузки, такие как аэродинамические и внутренние силы, действуют внутренние силы, которых нет во время испытания на усталость. Следовательно, нагрузки передаются из конструкции в некритических точках, таких как ходовая часть или через ограничители на фюзеляже.
- Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор можно использовать для измерения смещения критических точек конструкции. Пределы этих смещений могут использоваться, чтобы сигнализировать, когда конструкция вышла из строя, и автоматически прекращать испытание.
- Непредставительная структура. Некоторые тестовые структуры могут быть дорогими или недоступными, и их обычно заменяют в тестовой структуре эквивалентной структурой. Конструкция, расположенная близко к точкам крепления привода, может испытывать нереалистичную нагрузку, которая делает эти области нерепрезентативными.
Приборы
При испытании на усталость обычно используются следующие приборы:
- тензодатчики
- акселерометры
- манометры
- тензодатчики
- датчик трещины
- датчики контроля состояния конструкций
Важно установить на исследуемый объект любые тензодатчики, которые также используются для контроля воздушных судов парка. Это позволяет выполнять те же расчеты повреждений на испытуемом образце, которые используются для отслеживания усталостной долговечности воздушных судов парка. Это основной способ убедиться, что срок службы воздушных судов парка воздушных судов не превышает срока службы, определенного в результате испытания на усталость.
Инспекции
Осмотр является составной частью испытания на усталость. Важно знать, когда возникает обнаруживаемая трещина, чтобы определить сертифицированный срок службы каждого компонента, а также минимизировать повреждение окружающей конструкции и разработать ремонт, который окажет минимальное влияние на сертификацию смежной конструкции. Неразрушающий контроль может проводиться во время испытаний, а разрушающие испытания могут использоваться в конце испытания, чтобы гарантировать, что конструкция сохраняет свою несущую способность.
Сертификация
Интерпретация и сертификация испытаний включают использование результатов испытания на усталость для обоснования безопасного срока службы и эксплуатации объекта. [11] Целью сертификации является обеспечение приемлемо малой вероятности отказа в работе. Возможно, потребуется учитывать следующие факторы:
- количество тестов
- симметрия тестовой конструкции и приложенной нагрузки
- монтаж и паспортизация ремонтов
- факторы разброса
- вариативность материалов и производственного процесса
- среда
- критичность
Стандарты летной годности обычно требуют, чтобы самолет оставался безопасным даже с конструкцией в разрушенном состоянии из-за наличия усталостных трещин. [12]
Известные испытания на усталость
- Хладостойкость истребителя F-111 . Эти испытания включали приложение статических предельных нагрузок к самолету, который был охлажден для уменьшения критического размера трещины. Прохождение испытания означало отсутствие крупных усталостных трещин. При наличии трещин крылья катастрофически выходили из строя. [8]
- Международная программа последующих испытаний на структурную усталость (IFOSTP) была совместным предприятием Австралии, Канады и США по испытаниям на усталость F / A-18 Hornet . Австралийское испытание включало использование электродинамических вибростендов и пневматических подушек безопасности для имитации нагрузок с большим углом атаки на оперение . [13] [14]
- de Havilland Comet претерпела серию катастрофических отказов, которые в конечном итоге вылились в усталость, несмотря на испытания на усталость.
- Были проведены испытания на усталость 110 комплектов крыльев Mustang для определения разброса усталостной долговечности. [10]
- Роман « Нет шоссе» и фильм « Нет шоссе в небе» были посвящены вымышленным испытаниям на усталость фюзеляжа пассажирского самолета.
- Испытания на усталость также использовались для роста усталостных трещин, которые слишком малы, чтобы их можно было обнаружить. [15]
Рекомендации
- ^ «Программа испытаний и аттестация» . Проверено 27 февраля 2020 .
- ^ «Высокоскоростные испытательные системы» (PDF) . МТС . Проверено 26 июня 2019 .
- ^ «ЧАСТЬ 23 FAA - Стандарты летной годности: самолеты нормальной категории» . Проверено 26 июня 2019 .
- ^ Б с д е е г ч I Комитет ASTM E08.06 (2013). E647 Стандартный метод испытаний для измерения скорости роста усталостных трещин . ASTM International .
- ^ «Испытание на растяжение с надрезом на одной кромке» . NIST . Проверено 26 июня 2019 .
- ^ Ньюман, JC; Yamada, Y .; Джеймс, Массачусетс (2011). «Соотношение податливости деформации задней поверхности для компактных образцов для широкого диапазона длин трещин» . Инженерная механика разрушения . 78 (15): 2707–2711. DOI : 10.1016 / j.engfracmech.2011.07.001 .
- ^ Clark, G .; Йост, GS; Янг, Г.Д. «Восстановление флота RAAF MB326H; Сказка об устаревшем учебно-тренировочном парке» . Усталость в новых и стареющих самолетах . Проверено 26 июня 2019 .
- ^ а б Редмонд, Джерард. «От« безопасной жизни »к механике разрушения - испытание самолета F111 при низких температурах в RAAF Amberley» . Проверено 17 апреля 2019 года .
- ^ Требования к конструкции и летной годности служебных самолетов (Отчет). Соединенное Королевство, Министерство обороны. 1982 г.
- ^ а б Молент, Л. (2005). История испытаний на структурную усталость в Fishermans Bend Australia (PDF) . Проверено 26 июня 2019 .
- ^ Требования к конструкции и летной годности служебных самолетов . Соединенное Королевство, Министерство обороны. 1982 г.
- ^ «Стандарты летной годности FAA для самолетов транспортной категории. Оценка устойчивости конструкции к повреждениям и усталости» . Проверено 2 февраля 2021 .
- ^ «Испытание на виброустойчивость оперения F / A-18» . Группа оборонной науки и технологий . Проверено 26 июня 2019 .
- ^ Simpson, DL; Landry, N .; Roussel, J .; Molent, L .; Шмидт, Н. «Канадский и австралийский международный проект последующих структурных испытаний F / A-18» (PDF) . Проверено 26 июня 2019 .
- ^ Molent, L .; Диксон, В .; Бартер, S .; Белый, П .; Миллс, Т .; Maxfield, K .; Swanton, G .; Мейн, Б. (2009). «Расширенный разбор бывших в эксплуатации центральных фюзеляжей F / A-18A / B / C / D». Двадцать пятый ICAF симпозиум - Роттердам, 27-29 мая 2009 .
дальнейшее чтение
- Широко распространенные усталостные повреждения военных самолетов (PDF) . Проверено 26 июня 2019 .
- Бойер, HE "Тестирование на усталость" . Проверено 26 июня 2019 .
Внешние ссылки
«Боинг 787 проводит испытания на усталость» . Проверено 18 июля 2019 .