книги / Статическая выносливость элементов авиационных конструкций

О т н о ш е н и е 2,4. Как и следовало ожидать, и при осевом

Mi

нагруж/ении с повышением частоты циклов существенно увеличи­ вается разрушающее число циклов.

Влияние частоты при симметричном изгибе сварных узлов

Для проверки влияния частоты циклов на образцы более сложной формы была испытана серия образцов в виде сварного узла (рис. 88), изготовленного комбинированной сваркой (электродуговой и газовой) из труб размерами 35X30 мм. Материал

Рис. 88. Схема испытания сварного узла на симметричный изгиб

труб — сталь ЗОХГСА с временным сопротивлением оп= = 100 кГ/мм2. Термическая обработка труб произведена до свар­ ки. Узел нагружался по схеме двухопорной балки с симметрич­ ным расположением точек приложения поперечных нагрузок Р/2

	относительно середины узла.		Нагрузка	Р = ±0,ЗРразр. Результа­
	ты испытания приведены в		табл. 4.
				Т а б л и ц а 4
	Частота	Разрушающее		Среднее разрушающее
		число циклов		число циклов
	п ц и к л )м и н
			Мй	(М),з)ср
	9		10 434	9400
	9		8 983
	9		8 836
	1600		14400
	1600		25 500	18 640
	1600		17100
	1600		17550

82

О тнош ение^^=^~^=1,98 . Следовательно, все приведенные

N 9

9400

данные по влиянию частоты циклов нагрузки на выносливость образцов выражают общую закономерность, если напряженность образца и свойства сплава не меняются с повышением частоты— с повышением частоты повышается разрушающее число циклов.

3. ВЛИЯНИЕ АСИММЕТРИИ ЦИКЛА НАГРУЗКИ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

Ассимметрия цикла при осевой нагрузке

На рис. 13—19 схематически показаны основные разновид­ ности циклов нагрузки. Одним из признаков, которым они отли­ чаются друг от друга, является степень асимметрии цикла отно­ сительно оси абсцисс.

Как указывалось выше, для количественного выражения сте­ пени и знака асимметрии цикла в дальнейшем изложении принят

«показатель асимметрии» а = »гДе -Рср— средняя нагруз­

ка цикла с ее знаком, а |.Р |т а х — наибольшая по абсолютной ве­ личине нагрузка цикла независимо от ее знака.

На графиках рис. 89 даны результаты испытаний на статиче­ скую выносливость образцов из нескольких сплавов при осевой нагрузке (растяжение — сжатие) с разной асимметрией цикла. Каждая кривая характеризуется наименованием сплава, коэф­ фициентом напряженности и частотой п. Для стали 25 даны две кривые, полученные при разных частотах («1 = 2 0 и п2— = 2000 цикл!мин). По оси абсцисс отложены значения показателя асимметрии а: вправо от начала координат — положительные, влево — отрицательные до пульсирующих циклов (а=±0,5). По оси ординат отложена величина отношения разрушающего чис­ ла циклов при рассматриваемом показателе асимметрии а к числу циклов при симметричном цикле (а=0). В верхней части графика для кривых, выходящих за пределы принятого масшта­ ба чертежа, даны величины отношения Na /No. Так, например,

для кривой сплава В95 влево сверху дано лг~0,3?5—169. Это озна-

■” 0 чает, что разрушающее число циклов при а = —0,375 в 169 раз

больше, чем при о==0.

Как следует из общего, вида графика, все кривые, располо­ женные в левом квадранте осей, где превалирует сжатие, идут вверх круче, чем в правом квадранте, где превалирует растяже­ ние. Отсюда можно сделать общий для всех испытанных спла­ вов вывод о том, что все сплавы на повторное сжатие более вы­ носливы, чем на повторное растяжение. Интересно также отме­ тить, что при пульсирующем сжатии образец с концентратором

напряжений тоже может быть разрушен, но при числе циклов во много раз большем, чем при пульсирующем растяжении.

Рис. 89. Результаты испытаний образцов из разных сплавов на осевые нагрузки в осях

' N J N Q - OL

Изгиб сварных узлов

Образцы в виде сварного узла были изготовлены из хромансилевых труб размерами 35X30 мм (рис. 90). Термическая об-

_____________\ Р / г J Р / 2 _________

Ж Ж

Рис. 90. Образец сварного узла для испытания при разных показателях асимметрии цикла

работка до ав=100 кГ/мм2 произведена до электродуговой свар­ ки. Все образцы испытывались при коэффициенте напряженно­

84

сти /(=0,4 на изгиб при разных значениях показателя асиммет­

рии: 0,5; 0,33;		0,17 и	0.
Результаты		испытания приведены в табл. 5.
				Таблица	5
		Асиммет рия		Среднее число
				ц и к л о в при
					* *
			Показатель	разруш ен ии
Форма ц и к л а			асимметрии	N	^ОС=0
			ос.
.	А	л .	0,5	15080	3,6
	A	t y L	0,83	12 060	3,0
-	Л	у	0,17	7290	1,7
			0	4 200	1

На рис. 91 эти же результаты испытаний изображены в гра­ фической форме. По оси абсцисс отложено значение показателя

18 ю 3

асимметрии о, по оси ординат — разрушающее число циклов N. На соответствующих ординатах кружками отмечены значения N каждого из испытанных узлов. Зависимость между N и а прак­ тически может быть принята линейной в диапазоне значений а от нуля до +0,5.

Величина разгрузки

В практике проведения испытаний на повторные нагрузки при пульсирующем цикле обычно возникает вопрос о том, до какой величины нагрузки следует разгружать образец — до нуля или до какой-то малой величины, отличной от нуля. Этот вопрос возникает потому, что при нулевом значении нагрузки состояние нагружающего механизма оказывается не вполне определенным. Все элементы, составляющие непрерывную цепь, передающую нагрузку от силовозбудителя к образцу, должны быть свобод­ ными от нагрузки и в то же время не должны размыкаться до сколько-нибудь значительных зазоров между ними. Такое со­ стояние нагружающего механизма установить очень трудно. В большинстве случаев при этом оказывается, что цепь механиз­ ма нагружения или не полностью разгружена, а образец нахо­ дится еще под нагрузкой, или отдельные звенья этой цепи уже разошлись до некоторого зазора, который позволит образцу при последующем нагружении занять в пространстве несколько иное положение, определяющее и несколько иное напряженное состоя­ ние его. Это может привести к искажению результата испытания. Поэтому необходимо заранее обусловить ту минимальную на­ грузку, которая надежно может быть зафиксирована по силоиз­ мерительному устройству, и разгружать образец до этой на­ грузки.

Для оценки влияния на разрушающее число циклов величи­ ны разгрузки была испытана серия плоских образцов с отверсти­ ем из сплава Д16-Т с■<тв==41,6 кГ/мм2 и 6=20% . Испытания были проведены на повторное растяжение при нагрузке Р = 0,8Ppa3p с различной по величине разгрузкой. Частота повторения на­ грузки п = 8 цикл!мин. Результаты приведены в табл. 6, как сред­ ние из испытаний трех—пяти образцов (разброс от средних зна­ чений —8 до +11% ).

Приведенные данные показывают, что при разгрузке, не до­ ходящей до нуля на 10—12% от нагрузки Р, разрушающее чис­ ло циклов увеличивается в 1,5 раза по сравнению с числом цик­ лов, полученным при разгрузке до нуля. Это необходимо учи­ тывать при проведении испытаний при пульсирующем цикле нагружения, стремясь подойти при разгрузке образца как можно ближе к нулевой нагрузке. В случае, когда размыкание стыков в нагружающем механизме не вносит искажений в напряжен­ ное состояние испытуемого объекта, следует разгружать его до

Р = 0.

Таблица, 6

Ч,	<1	- « L	Д 1 6 -Т
.	370

Ф орм а ц и к л а

N

N

				3000	1
r	J u	L	j r	h <fSO	1,98
f	J l w	i t y p		b 730	1,58
\	.jS y l!u		0,2ЬР	изо	2,6
P	A jl+ k /		\^yP 11750		3,9

Величина средней нагрузки

Весьма существенным является вопрос о степени влияния на разрушающее число циклов величины средней нагрузки цикла, на которую накладывается разнозначная нагрузка симметрич­

ного цикла с определенной амплитудой ±-у. Для оценки этого

влияния была испытана серия плоских образцов с отверстием из сплава Д16-Т с сгв= 48,2 кГ/мм2 и 6=18%. Размах (двойная амплитуда) наложенной разнозначной нагрузки Р = 0,47Рразр Величина средней нагрузки Рср, на которую накладывалась раз­ нозначная нагрузка, менялась от 0,5Я до 1,5Р. Все вариации нагрузок цикла могут также рассматриваться как одновременное изменение максимальной и минимальной нагрузок цикла при

87

сохранении разности между ними, равной Р. Результаты испыта­ ний приведены в табл. 7. Числа циклов даны как средние из 4— 5 испытаний. Отклонения результатов отдельных испытаний от средних значений составляют от —16 до +15% . Частота повто­ рения нагрузки л = 8 цикл/мин.

Т а б ли ц а 7

$

d=S

2

Д 1 6 -Т

чв

370

N

Форма ц и к ла N

No

Рср						38800	1
! ^		А	А	тг	. 0,25Р	12100	0,57
V
Г	"	'	■		t
___ /fK			А	/	1	18 Ш	0,Ь7
РСр
	/				O.SP
/
					1
„ X	S P A		A	t	i	11970	0,31
Рср Г	;				opsP
11	i	S	i j y	-	Р	7770	0,20
-1.5Р/					Р
г	/

Из данных табл. 7 следует, что при повышении средней на­ грузки в 2 раза по сравнению с пульсирующим растяжением разрушающее число циклов при сохранении амплитуды нало­ женной нагрузки уменьшается тоже в 2 раза. Но при увели­ чении средней нагрузки в 3 раза число циклов уменьшается уже в 5 раз.

4. ВЛИЯНИЕ ПЕРЕРЫВОВ В НАГРУЖЕНИИ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

Все описанные испытания на повторные нагрузки велись не­ прерывно круглосуточно, прерываясь только на воскресенье. Это объясняется желанием сократить календарные сроки испытаний. Но все машины и сооружения, для которых многократная по­ вторность нагрузок является одним из условий эксплуатации, подвергаются действию этих нагрузок в эксплуатации не непре­ рывно, а с большими или меньшими перерывами (паузами), ча­ стота и длительность которых для разных машин весьма раз­ личны. Поэтому возникает вопрос о том, насколько результаты испытаний соответствуют условиям эксплуатации, т. е. не яв­ ляются ли условия непрерывности испытания более тяжелыми, чем условия работы сплава в эксплуатации, когда он во время перерывов может частично восстановить свою работоспособность при повторяющихся нагружениях.

Для оценки влияния пауз были проведены специальные ис­ пытания на пульсирующее растяжение плоских образцов с от­ верстием из сплавов Д16-Т и ЗОХГСА.

Испытание образцов из сплава Д16-Т

Серия одинаковых образцов, вырезанных из одного листа толщиной 2 мм сплава с ав=41,6 кГ/мм2 и 6=20%, была разде­ лена на две части. Одна часть (5 шт.) была испытана на пуль­ сирующее растяжение до разрушения при /(=0,7. Среднее раз­ рушающее число циклов # 0,7=8700 циклов. Вторая часть (5 шт.) испытывалась тоже на пульсирующее растяжение при /(=0,7, но с перерывами в нагружении длительностью в 48 час после каждых 5% циклов от разрушающего числа циклов # 0,7- Таким образом, каждый образец возвращался на пульсатор 20 раз. если ён выдерживал число циклов не менее 8700. Пять образцов, испытанных с такими 48-часовыми перерывами, показали сле­ дующие суммарные числа циклов при разрушении: 9668, 8600, 8000, 7000 и 7720. Среднее число циклов ( # 0,7) с р = 8200 против 8700, полученных при непрерывном испытании. Можно считать, что влияния перерывов в этом случае не наблюдается.

Испытание образцов из стали ЗОХГСА

Плоские образцы с отверстием из стали ЗОХГСА испытыва­ лись на пульсирующее растяжение в трех структурных состоя­ ниях: (У„=И7 кГ1мм2 при 6=8%, ап = 147 кГ[мм2 при 6= 5,1% и crD= l7 8 кГ/мм2 Первые два варианта образцов испытывались при /(=0,6, и при непрерывном испытании были получены соот­ ветственно #0,6=8600 и #0,6=3180 циклов. При испытании этих же вариантов с перерывами длительностью от 48 до 70 час после каждого числа циклов, равного 10%чот # 0,в, было получено со­ ответственно (#о,б)ср=8740 и (#о,б)ср=3280 циклов. Последний

вариант образцов из этого же сплава с ап=178 кГ./мм2 испы­ тывался при значениях /(=0,5 и 0,7. При непрерывном испыта­ нии было получено соответственно No,s = 5450 и JVOi7=1500 цикл ов.

При испытании с перерывами длительностью 48—90 час после каждых 4% от N0,s и М),7 было получено соответственно

(М),5)ср=4880 и (М),7)ср= 1190, что на 10—20% ниже, чем при непрерывном испытании.

При испытании с перерывами			длительностью тоже 48—
90 час, но после каждых	2	% от No,5	и N0,7 было получено соот­
ветственно (/VO>5)CP=4440	и	(/Уо,7)ср=П 80 циклов, что примерно

на 20% ниже, чем при непрерывном испытании. Возможно, что снижение разрушающего числа циклов на 1 0 —2 0 %. на образцах из ЗОХГСА с 0В=178 кГ/мм2 произошло потому, что при боль­ шом числе повторных установок образца (до 40 раз) на пульса­ тор трудно гарантировать полное однообразие условий установ­ ки и испытания его за все 40 раз. Но ни в одном случае не полу­ чилось восстановления выносливости сплава за время перерывов в нагружении. Таким образом, общепринятая методика непре­ рывного испытания на статическую выносливость не создает бо­ лее тяжелых условий для работы материала, чем эксплуатацион­ ные условия, когда перерывы в нагружении конструкции неизбежны. Необходимо иметь в виду, что эти испытания про­ водились при высокой степени напряженности образцов (К= =0,5-4-0,7).

5. ВЛИЯНИЕ ПОВТОРНЫХ НАГРУЗОК НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ

Общие соображения

Конструкция, проработавшая некоторый срок в условиях экс­ плуатации, израсходовала часть запаса выносливости, которым она обладала до эксплуатации. Поэтому естественным является вопрос, каким образом определить прочностные показатели та­ кой конструкции. Основными показателями прочности конструк­ ции в эксплуатации являются статическая прочность (времен­ ное сопротивление материала и статическая прочность конструк­ ции из него) и выносливость (срок службы конструкции, остаю­ щийся до разрушения).

Часто высказывается предположение, что снижение вынос­ ливости конструкции после некоторого срока ее эксплуатации можно определить, если такую конструкцию испытать на стати­ ческую прочность, т. е. до разрушения однократной нагрузкой, и результат испытания сравнить с первоначальной статической прочностью такой же конструкции, не бывшей в эксплуатации. Разность сравниваемых величин, по мнению сторонников такого сравнения, является мерой снижения срока службы конструк­ ции. Прежде всего необходимо иметь в виду, что конструкция может разрушаться в одном месте при однократной нагрузке и совершенно в другом при повторяющейся. В таком случае ука­

90