Усталостные испытания

IABG Испытание крыла Airbus A380 на усталость . Крыло испытано в общей сложности 47500 полетов, что в 2,5 раза превышает количество полетов за 25 лет эксплуатации. Каждые 16 часов полета имитировали 11 минут на стенде для испытаний на усталость. ^[1]

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, выявления 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-долговечность или деформация-долговечность. Скорость роста трещины в купоне также можно измерить во время испытания или после него с помощью фрактографии . Тестирование купонов также может проводиться в экологических камерах. 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 (ГАГ). 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 датчикиустанавливаются на конструкции, чтобы обеспечить правильную 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 любое возникающее растрескивание не влияло на другие области исследуемого изделия. Поскольку не все нагрузки могут быть приложены, любые несбалансированные нагрузки на конструкцию обычно передаются на испытательный пол через некритические конструкции, такие как ходовая часть.

Стандарты летной годности обычно требуют проведения испытаний на усталость больших самолетов до сертификации для определения их безопасного срока 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 [ править ]

Машина для испытаний на усталость МТС-810

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 напряжения , где минимальный коэффициент интенсивности напряжения соответствует минимальной нагрузке для и принимается равным нулю для , и является отношением напряжений . Были разработаны стандартизированные тесты, чтобы гарантировать повторяемость и позволить легко определить коэффициент интенсивности напряжений, но можно использовать другие формы при условии, что купон достаточно большой, чтобы быть в основном эластичным. ^[4] ${\ displaystyle da / dN}$ ${\ displaystyle \ Delta K = K _ {\ max} -K _ {\ min}}$ ${\ displaystyle K _ {\ min}}$ ${\ displaystyle R> 0}$ ${\ Displaystyle R \ leq 0}$ ${\ displaystyle R}$ ${\ Displaystyle R = K _ {\ min} / K _ {\ max}}$

Форма купона [ править ]

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 растяжения обычно используют штифты, которые немного меньше, чем отверстия 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]
Панель растрескивания по центру (CCT). Образец среднего или среднего растяжения с трещиной в центре изготавливается из плоского листа или стержня с двумя отверстиями для крепления к захватам.
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 растяжения [ править ]

Рекомендуемая толщина составляет . ^[4] ${\ Displaystyle W / 20 <B <W / 4}$

Диапазон интенсивности напряжений для компактных купонов можно рассчитать по приложенной нагрузке для образца шириной, используя ^[4] ${\ displaystyle \ Delta K}$ ${\ displaystyle P}$ ${\ displaystyle B}$

{\ displaystyle \ Delta K = {\ frac {\ Delta P} {B {\ sqrt {W}}}} {\ frac {(2+ \ alpha)} {(1- \ alpha) ^ {3/2} }} (0,886 + 4,64 \ альфа -13,32 \ альфа ^ {2} +14,72 \ альфа ^ {3} -5,6 \ альфа ^ {4})}

где и - длина трещины, а - расстояние между приложенной нагрузкой и тыльной стороной купона. Это уравнение действительно для . ${\ Displaystyle \ альфа = а / W}$ ${\ displaystyle a}$ ${\ displaystyle W}$ ${\ displaystyle a / W> 0,2}$

Образец растяжения с центральной трещиной [ править ]

Этот купон имеет длинную центральную трещину . ${\ displaystyle 2a}$

Следующие эмпирические критерии используются, чтобы гарантировать, что образец достаточно велик, чтобы гарантировать соблюдение предположения о линейной механике упругого разрушения ^[4]

W-2a\geq {1.25P_{\max } \over B{\sigma _{\rm {ys}}}}

где - предел текучести смещения 0,2%, - толщина купона. $\sigma _{\rm {ys}}$ $B$

Диапазон интенсивности напряжений для купона можно рассчитать по ^[4]

\Delta K={\frac {\Delta P}{B}}{\sqrt {{\frac {\pi a}{2W}}\sec {\frac {\pi a}{2}}}}

Образец односторонней трещины [ править ]

Этот купон с боковой трещиной длиной . Минимальный размер образца определяется по ^[4] $a$

W-a\geq {\frac {4}{\pi }}\left({K_{\rm {max}} \over \sigma _{\rm {ys}}}\right)^{2}

Диапазон интенсивности напряжения для этого купона составляет ^[4]

\Delta K=\left({\frac {\Delta P}{B{\sqrt {W}}}}\right)F

где находится $F$

F=\alpha ^{\frac {1}{2}}(1.4+\alpha )(1-\alpha )^{\frac {3}{2}}G

и это $G$

G=3.97-10.88\alpha +26.25\alpha ^{2}-38.9\alpha ^{3}+30.15\alpha ^{4}-9.27\alpha ^{5}

и . $\alpha =a/W$

Инструменты [ править ]

Следующие инструменты обычно используются для мониторинга тестов купонов:

Тензодатчики используются для отслеживания 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 напряжений, который будет меняться 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.
Путевой оптический микроскоп можно использовать для измерения положения вершины трещины.

Полномасштабные испытания на усталость [ править ]

Испытание на усталость в Boeing Everett

Натурные испытания могут использоваться для:

Подтвердите предложенный график технического обслуживания воздушного судна.
Продемонстрировать безопасность конструкции, которая может быть подвержена значительным 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 могут использоваться для определения степени, в которой широко распространенное усталостное повреждение может быть проблемой.

Тестовая статья [ править ]

Сертификация требует знания и учета всей истории нагрузок, испытанных в тестовой статье. Использование образцов для испытаний, которые ранее использовались для статических контрольных испытаний , вызвало 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, манометры, датчики веса, LVDT и т. Д.

Усталостные трещины обычно возникают в областях 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 [ править ]

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 заняло бы слишком много времени. Обычно используются два типа фильтрации:

Фильтрация зоны нечувствительности исключает небольшие циклы, которые полностью попадают в определенный диапазон, например +/- 3g.
Фильтрация нарастания-спада исключает небольшие циклы, которые меньше определенного диапазона, например 1g.

Частота испытаний больших конструкций обычно ограничивается несколькими Гц и должна избегать резонансной частоты конструкции. ^[10]

Тестовая установка [ править ]

Стенд для испытаний на усталость на базе ВВС Райт-Паттерсон

Все компоненты, которые не являются частью испытуемого объекта или приборов, называются испытательным стендом . При полномасштабных испытаниях на усталость обычно обнаруживаются следующие компоненты :

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 ветвления обычно используются на верхней и нижней сторонах испытаний крыла на усталость.
Гидравлические, электромагнитные или пневматические приводы используются для приложения нагрузок к конструкции либо напрямую, либо посредством использования ветоши 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 ложной нагрузки.
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 шасси или через ограничители на фюзеляже.
Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор можно использовать для измерения смещения критических точек конструкции. Пределы этих смещений могут использоваться для сигнализации о неисправности конструкции и автоматического завершения испытания.
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.

Инструменты [ править ]

При испытании на усталость обычно используются следующие приборы:

тензодатчики
акселерометры
манометры
тензодатчики
датчик трещины
датчики контроля состояния конструкций

Важно установить на испытуемый объект 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 [ править ]

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 [ править ]

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 ремонта
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 [ править ]

Хладостойкость истребителя F-111 . Эти испытания включали приложение статических предельных нагрузок к самолету, который был охлажден для уменьшения критического размера трещины. Прохождение испытания означало, что не было больших трещин усталости. 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 для обнаружения. ^[15]

Ссылки [ править ]

^ «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 .
^ a b c d e f g h i Комитет ASTM E08.06 (2013). E647 Стандартный метод испытаний для измерения скорости роста усталостных трещин . ASTM International .
^ «Испытание на растяжение с надрезом с одной кромкой» . NIST . Проверено 26 июня 2019 .
^ Ньюман, JC; Yamada, Y .; Джеймс, Массачусетс (2011). «Соотношение податливости деформации тыльной стороны для компактных образцов для широкого диапазона длин трещин» . Инженерная механика разрушения . 78 (15): 2707–2711. DOI : 10.1016 / j.engfracmech.2011.07.001 .
^ Кларк, 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). Великобритания, Министерство обороны. 1982 г.
^ a b Molent, L. (2005). История испытаний на структурную усталость в Fishermans Bend Australia (PDF) . Проверено 26 июня 2019 .
^ Требования к конструкции и летной годности служебных самолетов . Великобритания, Министерство обороны. 1982 г.
^ "FAA Стандарты летной годности самолетов транспортной категории, Повреждения - устойчивость и усталостная оценка конструкции" . Источник 2021-02-02 .
^ "Испытание на виброустойчивость оперения F / A-18" . Группа оборонной науки и технологий . Проверено 26 июня 2019 .
^ Симпсон, 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 [ править ]

Широко распространенные усталостные повреждения военных самолетов (PDF) . Проверено 26 июня 2019 .
Бойер, HE "Испытание на усталость" . Проверено 26 июня 2019 .

Внешние ссылки [ править ]

«Боинг 787 проводит испытания на усталость» . Проверено 18 июля 2019 .

[1] «Программа испытаний и аттестация» . Проверено 27 февраля 2020 .

[2] "Высокоскоростные испытательные системы" (PDF) . МТС . Проверено 26 июня 2019 .

[3] «ЧАСТЬ 23 FAA - Стандарты летной годности: самолеты нормальной категории» . Проверено 26 июня 2019 .

[astm-4] ^ a b c d e f g h i Комитет ASTM E08.06 (2013). E647 Стандартный метод испытаний для измерения скорости роста усталостных трещин . ASTM International .

[5] «Испытание на растяжение с надрезом с одной кромкой» . NIST . Проверено 26 июня 2019 .

[6] Ньюман, JC; Yamada, Y .; Джеймс, Массачусетс (2011). «Соотношение податливости деформации тыльной стороны для компактных образцов для широкого диапазона длин трещин» . Инженерная механика разрушения . 78 (15): 2707–2711. DOI : 10.1016 / j.engfracmech.2011.07.001 .

[7] Кларк, 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 .

[gerard-8] а б Редмонд, Джерард. «От« безопасной жизни »к механике разрушения - испытание самолета F111 при низких температурах в RAAF Amberley» . Проверено 17 апреля 2019 года .

[9] Требования к конструкции и летной годности служебных самолетов (отчет). Великобритания, Министерство обороны. 1982 г.

[molent-10] Molent, L. (2005). История испытаний на структурную усталость в Fishermans Bend Australia (PDF) . Проверено 26 июня 2019 .

[defstan-11] Требования к конструкции и летной годности служебных самолетов . Великобритания, Министерство обороны. 1982 г.

[12] "FAA Стандарты летной годности самолетов транспортной категории, Повреждения - устойчивость и усталостная оценка конструкции" . Источник 2021-02-02 .

[13] "Испытание на виброустойчивость оперения F / A-18" . Группа оборонной науки и технологий . Проверено 26 июня 2019 .

[14] Симпсон, 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 .

[15] 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 .

[1]