Прогнозування несучої здатності матеріалу обшивки літального апарату за показниками еволюції деформаційного рельєфу поверхневого шару

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний авіаційний університет

УДК 629.735.015.4:620.179.1(042.3)

Спеціальність 05.07.02 - проектування, виробництво

та випробування літальних апаратів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПРОГНОЗУВАННЯ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ МАТЕРІАЛУ ОБШИВКИ ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТУ ЗА ПОКАЗНИКАМИ ЕВОЛЮЦІЇ ДЕФОРМАЦІЙНОГО РЕЛЬЄФУ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ

Юцкевич Святослав Сергійович

Київ 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі конструкції літальних апаратів Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ігнатович Сергій Ромуальдович, Національний авіаційний університет, м. Київ, завідувач кафедри конструкції літальних апаратів

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Гребеніков Олександр Григорович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", м. Харків, завідувач кафедри проектування літаків і вертольотів

- кандидат технічних наук, доцент Василевський Євген Тимофійович, Державне підприємство "АНТОНОВ", м. Київ, начальник конструкторського відділу

Захист відбудеться 14 квітня 2011 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.06 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, ауд. 11.220.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, пр. Космонавта Комарова, 1

Автореферат розісланий "___" ______________ 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.062.06. кандидат технічних наук О.Ю. Корчук

Анотації

Юцкевич С.С. Прогнозування несучої здатності матеріалу обшивки літального апарату за показниками еволюції деформаційного рельєфу поверхневого шару. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. - Національний авіаційний університет, м. Київ, 2011.

Дисертація присвячена рішенню актуальної науково-технічної задачі по визначенню несучої здатності матеріалу обшивки літака з Д 16АТ по показникам деформаційного рельєфу поверхні плакуючого шару.

Для визначення параметрів, які характеризують деформаційний рельєф, було використано безконтактний інтерференційний профілометр. Це дозволило провести дослідження еволюції деформаційного рельєфу у тримірному просторі.

Експериментальні залежності параметрів деформаційного рельєфу (насиченості, шорсткості, пластичної деформації поверхні) від циклічного напрацювання виявили загальні закономірності, які притаманні різним рівням напруження та видам навантажування (регулярному та випадковому режимам).

Розроблена теоретична модель формування деформаційного рельєфу на поверхні конструкційного сплаву із плакуючим шаром. На основі цієї моделі обґрунтовано негативний вплив плакуючого шару на характеристики утоми конструкційного сплаву.

Розроблена регресійна модель прогнозування граничного стану (до появи утомної тріщини) обшивки літального апарату. Показано, що найбільш вирогідні результати прогнозування забезпечуються при використані параметра пластичної деформації поверхні плакуючого шару в діапазоні відносного напрацювання від 0,1 до 0,8.

Адекватність розробленого методу прогнозування залишкової довговічності підтверджена втомними випробуваннями по типовій програмі випадкового спектру навантажування MiniTWIST.

Ключові слова: втома, алюмінієвий сплав, плакуючий шар, деформаційний рельєф, граничний стан, інтерференційна профілометрія, залишкова довговічність, випадкове навантажування.

Юцкевич С.С. Прогнозирование несущей способности материала обшивки летательного аппарата по показателям эволюции деформационного рельефа поверхностного слоя. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 - проеткирование, производство и испытание летательных аппаратов. - Национальный авиационный унивреситет, г. Киев, 2011.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи - определению несущей способности обшивки самолета, выполненной из конструкционного алюминиевого сплава Д 16АТ, по показателям деформационного рельефа (ДР) поверхности плакирующего слоя.

Деформационный рельеф исследовался на образцах из сплава Д 16АТ возле концентратора напряжения с использованием интерференционного профилометра. Механические испытания проводились на сервогидравлической установке с цифровым управлением при регулярном отнулевом циклическом и случайном спектре нагружения.

Установлено, что при усталости на поверхности сплава Д 16АТ в результате пластического деформирования происходит формирование ДР, которое характеризует нагруженность и поврежденность материала и может быть использовано для определения предельного состояния обшивки самолета.

Для получения количественной информации о деформационном состоянии плакирующего слоя в работе использовался бесконтактный интерференционный профилометр. Разработан комплекс оригинальных методик, который включает методики регистрации насыщенности ДР, шероховатости и пластической деформации поверхности контролируемых участков образцов.

На основании базовых положений о дислокационных процессах пластического деформирования разработана модель формирования ДР на поверхности материалов, устанавливающая зависимость пластической деформации поверхности от основных параметров ДР - насыщенности ДР и приращения параметра шероховатости. На базе данной модели предложена функция поврежденности и обосновано негативное влияние плакирующего слоя на усталостную прочность сплава Д 16АТ. Проведеденные сравнительные испытания показали, что наличие плакирующего слоя на поверхности конструкционного сплава Д 16АТ приводит к снижению предела выносливости по сравнению с образцами из сплава Д 16Т без плакирующего слоя на 35…45%.

В ходе усталостных испытаний установлено, что на поверхности плакирующего слоя показатели насыщенности ДР и шероховатости поверхности возрастают с числом циклов нагружения и носит затухающий характер. При представлении данных зависимостей в координатах относительной наработки (относительно числа циклов до образования усталостной трещины 0,5 мм) установлено, что изменение параметра насыщенности ДР не зависит от действующих напряжений, а его предельное значение не зависит от вида циклического нагружения (регулярное или случайное) и значения напряжения. Полученна зависимость между параметрами насыщенности ДР и шероховатости, согласно которой увеличение площади локальных участков поверхности плакирующего слоя, на которых развивается ДР сопровождается ростом шероховатости поверхности на этих участках.

В работе установлено, что при регулярном и при случайном циклическом нагружении происходит непрерывное знакопеременное пластическое деформирование поверхности плакирующего слоя. Этот процесс сопровождается накоплением остаточной деформации, величина которой возрастает как с числом циклов нагружения, так и с ростом насыщенности ДР. Интенсивность такого роста определяется величиной действующих в цикле напряжений.

Показано, что независимо от вида циклического нагружения (регулярного или случайного) и уровня действующих напряжений в цикле имеет место инвариантное соотношение между предельными значениями пластической деформации и относительной шероховатости поверхности плакирующего слоя, соответствующими образованию усталостной трещины.

На основании полученных результатов исследований разработана методика прогнозирования предельного состояния обшивки ЛА, основанная на расчете относительной циклической наработки до образования трещины усталости по значениям показателей эволюции ДР, регистрируемых на контролируемом участке поверхности. Анализ расчетных моделей, основанных на использовании различных характеристик ДР, показал, что наиболее приемлемые результаты прогнозирования обеспечиваются при использовании величины накопленной пластической деформации поверхности плакирующего слоя в диапазоне относительной наработки от 0,1 до 0,8.

Ключевые слова: усталость, алюминиевый сплав, плакирующий слой, деформационный рельеф, предельное состояние, интерференционная профилометрия, остаточная долговечность, случайное нагружение.

Yutskevych S.S. Aircraft skin material bearing capacity prediction by surface layer deformation relief evolution performances. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.07.02 - design, manufacturing and testing of aircraft. - National aviation university, Kyiv, 2011.

The thesis is devoted to the solution of an actual scientific and technical problem of aircraft skin material D16AT bearing capacity by means of clad deformation relief parameters estimation.

For deformation relief investigation was used interfere optical profiler. It allowed to control the deformation relief formation in three dimension space.

The deformation relief parameters (saturation, roughness, surface plastic deformation) due to fatigue cycling relations have defined general regularities which are typical for different stresses levels and types of loading.

The theoretical model of deformation relief formation on the clad aluminium alloy surface of aluminium alloy was developed. This model proves negative influence of clad on D16AT strength.

The established relations between investigated deformation relief parameters were used for deformation relief formation on the clad alloys surface model development.

The method of aircraft skin limiting state (fatigue crack initiation) prediction was developed. It is shown that the most acceptable reliability level for aircraft skin limiting state prediction by clad surface plastic deformation parameter is possible in the range of a relative operating time from 0,1 to 0,8.

The efficiency of the new method is affirmed by fatigue test under standardized variable amplitude program MiniTWIST load sequences.

Key words: fatigue, aluminium alloy, clad, deformation relief, limiting stage, interfere profilometry, residual durability, service loading.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема встановлення та забезпечення ресурсу літальних апаратів (ЛА) є однією з основних при проектуванні, виробництві і експлуатації авіаційної техніки (АТ). При вирішуванні цієї проблеми велике значення мають задачі прогнозування несучої здатності конструкції з врахуванням дії експлуатаційних факторів пошкоджуваності, причому таке прогнозування повинно забезпечуватися як на стадії створення нових зразків АТ, так і в експлуатації. Серед широкого спектру факторів пошкоджуваності, що діють на конструкцію літака в експлуатації, найбільш значущим є циклічне навантажування, яке обумовлює вичерпання утомної міцності відповідальних конструкційних елементів (КЕ), визначаючих ресурс усієї конструкції. Для запобігання граничного стану, що пов'язаний з утомною міцністю таких елементів, необхідно застосовувати комплекс науково-технічних та конструкторсько-організаційних заходів, які включають контроль поточного технічного стану КЕ з врахуванням історії їх експлуатаційного навантажування, розробку моделей процесів пошкоджуваності у часі, застосування адекватних методів прогнозування залишкової довговічності.

Одним з можливих рішень задачі отримання інформації про історію навантажування і пошкоджуваність КЕ в експлуатації є використання датчиків утомного пошкодження (сенсорів утоми), які безпосередньо розміщуються на об'єкті контролю, сприймають разом з ним увесь спектр навантажування в експлуатації і в залежності від інтенсивності навантажування та наробітки змінюють свої властивості. Такі датчики є ключовими елементами автоматизованих систем моніторингу технічного стану авіаційних конструкцій (Structural Health Monitoring - SHM), які розробляються і широко впроваджуються в останній час провідними виробниками АТ (наприклад, Airbus). На базі отриманої від сенсорів утоми інформації можливо не тільки оптимізувати періодичність робіт з технічного обслуговування ЛА, а також і прогнозувати залишкову наробітку до досягнення елементами силової конструкції планера граничного стану, наприклад до виникнення тріщини утоми.

Серед відомих типів сенсорів утоми доволі ефективними є датчики, у яких за рахунок пластичного деформування при циклічному навантажуванні змінюються характеристики деформаційного рельєфу (ДР) поверхні. Реєстрація ДР оптичними та профілометричнми засобами дає інформацію стосовно процесів експлуатаційного навантажування та пошкоджуваності об'єкту контролю. Чутливим елементом датчиків такого типу є легко пластично деформуємий матеріал, наприклад монокристалічний чи полікристалічний алюміній. Так як поверхня конструкційного алюмінієвого сплаву Д 16АТ у стані поставки вкрита плакованим шаром із технічно чистого алюмінію, то обрані і спеціально підготовлені ділянки поверхні обшивка літака з такого сплаву можуть виступати у якості індикатора втомного пошкодження та є придатними для контролю її технічного стану в експлуатації за параметрами ДР.

Для визначення критеріїв пошкоджуваності та обґрунтування граничного стану обшивки за параметрами ДР на поверхні плакованого шару сплаву Д 16АТ необхідно провести дослідження та виявити закономірності зміни таких параметрів у часі (від циклічного напрацювання) та у залежності від характеристик циклічного навантажування. На сьогоднішній день відсутні дані щодо поведінки ДР плакованого шару з алюмінію у тривимірному просторі при циклічному напрацюванні в умовах регулярного і, особливо, випадкового циклічного навантажування, яке притаманне реальним авіаційним конструкціям в експлуатації. Остаточно не вирішене питання щодо впливу плакування на довговічність конструкційних алюмінієвих сплавів. Для обґрунтування граничного стану і проведення прогнозування залишкового ресурсу необхідно визначити вплив ДР на утворення утомних тріщин. Проведення таких досліджень є актуальним, а їх результати можуть бути корисними при розробці комплексних науково-технічних заходів, спрямованих на обґрунтування несучої здатності АТ та оптимального використання ресурсних характеристик обшивки літаків в експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладені результати експериментальних і теоретичних досліджень, отриманих здобувачем при роботі над держбюджетною темою № 385-ДБ 07 "Розробка методів діагностики пошкоджуваності та оцінки залишкового ресурсу елементів авіаційних конструкцій з використанням нанотехнологій" (№ держ. реєстрації 0107U002665), строк виконання 2007 - 2009 р., що виконувалася згідно тематичних планів НДР Міністерства освіти та науки України.

Ціль дослідження. Наукове обґрунтування та розробка методу прогнозування напрацювання до утворення тріщини в обшивці ЛА по показниках еволюції ДР на поверхні плакованого шару сплаву Д 16АТ.

Для досягнення поставленої мети в роботі були вирішені наступні задачі.

1. Розробити методику реєстрації розмірних параметрів ДР на поверхні зразка та методику визначення топографії поверхні із застосуванням інтерференційного профілометру.

2. Розробити методику виміру пластичної деформації поверхні контрольованої ділянки зразка із застосуванням інтерференційного профілометру.

3. Розробити алгоритмічне та програмне забезпечення для автоматизованої реєстрації, обробки та представлення даних вимірів деформаційного рельєфу та пластичної деформації поверхні.

4. Розробити модель формування деформаційного рельєфу на поверхні матеріалів і на базі даної моделі обґрунтувати механізм пошкоджуваності плакуючого шару.

5. Провести експериментальні дослідження та одержати залежності по зміні деформаційного рельєфу поверхні сплаву Д 16АТ від числа циклів і діючих напружень при регулярному та випадковому режимах циклічного навантажування.

6. Провести експериментальні дослідження та одержати залежності по зміні пластичної деформації поверхні сплаву Д 16АТ від числа циклів і діючих напружень при регулярному та випадковому режимах циклічного навантажування.

7. На підставі отриманих експериментальних даних установити залежності між основними характеристиками деформаційного рельєфу - насиченістю, шорсткістю та пластичною деформацією поверхні.

8. Розробити регресійну модель прогнозування граничного стану обшивки літака до утворення втомної тріщини по показниках деформаційного рельєфу на поверхні плакуючого шару.

Об'єкт досліджень - розвиток деформаційного рельєфу поверхні плакуючого шару при циклічному навантажуванні.

Предмет досліджень - показники еволюції деформаційного рельєфу поверхні плакуючого шару, які визначають несучу здатність обшивки ЛА.

Методи досліджень - проведені в роботі дослідження базуються на методах механіки, теорій дислокацій і пластичності, втоми, фізичних основ інтерференції світла, методах математичної статистики та регресійного аналізу, неруйнівного контролю та обробки сигналів. При експериментальних дослідженнях використовувалися методи проведення втомних випробувань і профілометрії. При проведенні вимірів і обробки даних використовувалися методи автоматичного управління, програмування, комп'ютерних технологій.

Наукова новизна отриманих результатів. В дисертації вперше отримані такі нові наукові результати:

1. Розроблено нову модель формування деформаційного рельєфу на поверхні матеріалів з урахуванням фізичних механізмів пластичного деформування. На базі даної моделі теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено негативний вплив плакуючого шару на втомну довговічність сплаву Д 16АТ (границя витривалості знижується на 35...45%).

2. Вперше встановлено залежності між параметрами деформаційного рельєфу, які характеризують його насиченість на площині поверхні та розвиток у нормальному до неї напрямку. Отримано нові залежності зміни насиченості деформаційного рельєфу та шорсткості поверхні від напрацювання при регулярному і випадковому видах циклічного навантажування.

3. На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено новий метод прогнозування граничного стану обшивки ЛА до утворення втомної тріщини довжиною 0,5 мм, що базується на використанні показників деформаційного рельєфу, які реєструються на поверхні плакуючого шару.

4. Розроблена та апробована нова методика реєстрації шорсткості поверхні та визначення її пластичної деформації. Методика базується на результатах виміру топографії поверхні, отриманих з використанням безконтактного інтерференційного профілометра.

5. Вперше експериментально встановлено, що незалежно від виду циклічного навантажування (регулярного або випадкового) і незалежно від рівня діючих напружень у циклі при утворенні тріщини має місце інваріантне співвідношення між граничними значеннями пластичної деформації поверхні і її шорсткістю.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що:

1. Метод прогнозування граничного стану обшивки ЛА до утворення втомної тріщини, який базується на використанні показників деформаційного рельєфу на поверхні плакуючого шару, дозволить одержувати об'єктивну інформацію про поточний технічний стан обшивки крила або фюзеляжу літака в процесі проведення натурних випробувань, а також в умовах експлуатації при контролі вичерпання ресурсу індивідуальних екземплярів ЛА.

2. Встановлені залежності між параметрами розвитку деформаційного рельєфу на площині поверхні та у нормальному до неї напрямку, а також залежності цих параметрів від напрацювання та циклічних напружень можуть використовуватися при розробці систем моніторингу технічного стану конструктивних елементів ЛА із застосуванням датчиків-сенсорів експлуатаційного навантажування та втомної пошкоджуваності.

3. Розроблені методики реєстрації шорсткості поверхні та визначення її пластичної деформації з використанням безконтактного інтерференційного профілометру можуть знайти застосування при прецизійних вимірах рельєфу та топографії поверхні деталей, а також при розробці нових методів діагностування поверхневих шарів конструкційних матеріалів неруйнівними методами контролю.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в Національному авіаційному університеті та авіаційних підприємствах України:

1. Методика безконтактного прецизійного визначення шорсткості поверхонь деталей літака впроваджена в практику контролю технічного стану авіаційної техніки на ДП "Завод 410 ГА".

2. Методика прогнозування залишкового ресурсу обшивки, виготовленої із плакованого алюмінієвого сплаву використовується при дослідженні утоми елементів конструкції авіаційної техніки на ДП "Антонов".

3. Методика визначення параметра шорсткості на поверхні конструкційного сплаву Д 16АТ при втомі використовується в навчальному процесі кафедри конструкції літальних апаратів Аерокосмічного інституту Національного авіаційного університету.

Особистий внесок здобувача. В отриманні наукових та практичних результатів, які викладені у дисертаційній роботі, внесок здобувача полягає у самостійному виконанні теоретичної та експериментальної частин роботи, а також інтерпретації отриманих результатів. Автором самостійно отримано основні положення, які винесені на захист: метод прогнозування граничного стану обшивки ЛА по параметрам ДР, залежності між характеристиками ДР, залежності зміни насиченості ДР та шорсткості поверхні від напрацювання при регулярному та випадковому циклічному навантажуванні, методики реєстрації шорсткості поверхні та визначення її пластичної деформації

У дослідженнях, які наведені у публікаціях у співавторстві, здобувачем виконано:

- розробка методики і проведення дослідження мікропластичних і структурних неоднорідностей поверхні дюралюмінієвого сплаву при втомі [1, 2];

- розробка методики проведення утомних випробувань і діагностика пошкоджуваності зразків із дюралюмінієвого сплаву [3];

- розробка методики дослідження еволюції ДР на поверхні плакуючого шару сплаву Д 16АТ біля концентратору напруження при утомі [4, 5, 8, 11];

- утомні випробування з контролем еволюції кількісних параметрів ДР при циклічному навантажуванні [4, 5, 7, 9, 10, 12, 13];

- розробка моделі формування ДР на поверхні матеріалів, який описує механізм пошкоджуваності плакуючого шару [9].

- дослідження по визначенню залежності між параметрами розвитку ДР на площині поверхні та у нормальному до неї напрямку при утомі [5, 9, 10].

- визначення можливості застосування параметра пластичної деформації поверхні для прогнозування граничного стану обшивки ЛА до утворення утомної тріщини довжиною 0,5 мм [12].

З робіт, виконаних у співавторстві, у дисертації наведені тільки ті результати, які були отримані особисто здобувачем.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, що викладені в дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на конференціях: IX-XII Міжнародних конгресах двигунобудівників, Харків - Рибаче, 2005-2008 рр.; третьому та четвертому конгресах "Aviation in the XXI century "Safety in aviation" (м. Київ), 2008, 2010 рр.; IX Міжнародній науково-технічній конференції "Авіа-2009" (м. Київ) 2009 р.; Міжнародній конференції "Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи його діагностування і прогнозування" (м. Тернопіль), 2009 р.; третій міжнародній конференції "Деформация и разрушение материалов и наноматериалов" (м. Москва), 2009 р.; XV міжнародному колоквіумі "Mechanical Fatigue of Metals", (м. Ополе, Польща), 2010р.

В цілому робота доповідалась на розширеному засіданні кафедри конструкції літальних апаратів НАУ (18.11.2010 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 13 робіт, серед яких 6 статей, які відповідають вимогам ВАК України до публікацій результатів у спеціалізованих виданнях, 1 декларативний патент України, 5 доповідей у збірниках праць конференцій і 1 тези доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Список використаних джерел становить 170 найменувань. Загальний обсяг дисертації становить 179 сторінок, у тому числі основного тексту дисертації 156 сторінок. Усього в роботі 73 ілюстрації та 27 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, сформульовані мета та задачі дослідження, показані наукова новизна та практичне значення результатів дослідження. Наведені відомості про публікації, апробацію та впровадження результатів.

У першому розділі розглянуто проблему забезпечення ресурсу ЛА, особливості навантажування обшивки літака в експлуатації, процес формування ДР на поверхні легкодеформованих сплавів, а також існуючі на сьогодні засоби контролю стану поверхні.

Зауважено, що існуючі методи встановлення ресурсу та розрахунково-експериментальні методи оцінки ресурсних показників ЛА є доволі складними і не завжди дозволяють виконати точну оцінку залишкового ресурсу. Це пов'язано із тим, що на літак під час експлуатації діє складний спектр навантажень. Тому вирішення цієї проблеми в експлуатації пов'язане із застосуванням систем SHM, які дозволяють отримувати інформацію про поточний стан контрольованих елементів конструкції.

Відомо, що під час циклічного навантажування поверхневий шар матеріалу підлягає найбільшій пошкоджуваності внаслідок процесів пластичного деформування, що приводить до формування ДР на поверхні матеріалу. Тому у алюмінієвих конструкційних сплавів із плакуючим шаром на поверхні, які широко використовуються в авіабудуванні, стан поверхні матеріалу може бути використано в якості індикатора експлуатаційного навантажування. Це пов'язано із формуванням ДР на поверхні матеріалу в процесі циклічного навантажування.

У якості апаратурного засобу, який дозволяє кількісно оцінити параметри ДР, запропоновано використовувати безконтактний інтерференційний профілометр. Такий профілометр дозволяє без попередньої додаткової підготовки поверхні зразку проводити виміри з високою роздільною здатністю і отримувати тривимірне зображення поверхні.

Проведений у даному розділі аналіз дозволив визначити мету та задачі дослідження роботи.

У другому розділі наведені розроблені методи та методики дослідження ДР при регулярному та випадковому циклічному навантажуванні.

Контроль еволюції деформаційного рельєфу проводився на плоских зразках, виготовлених зі сплаву Д 16АТ. У центральній частині зразка робився отвір діаметром 4 мм, який імітував конструктивний концентратор напружень в обшивці ЛА під заклепку. На кожній стороні зразку біля отвору готувались по дві ділянки поверхні для контролю ДР розміром 225Ч340 мкм.

Механічні випробування проводилися на сервогідравличній випробувальній установці із цифровим керуванням Bi-00-202V при регулярному віднульовому () і випадковому циклічному навантажуванні. Для приближення лабораторних випробувань до умов експлуатаційного навантажування застосовувалася стандартизована програма MiniTWIST.

Випробування проводилися при наступних значеннях напружень:

- для регулярного навантажування значення максимального напруження циклу задавалися у діапазоні = 60…150 МПа

- для випадкового навантажування значення середнього напруження спектру задавалися у діапазоні = 80…100 МПа. Це відповідає діапазону напружень, які виникають в обшивці кореневої частини крила літака.

Контроль стану поверхні здійснювався з використанням оптичного інтерференційного профілометру, який дозволяє досліджувати поверхню як у режимі мікроскопа, так і в режимі профілометру, а також відтворювати поверхню в тривимірному просторі. Розміри зони контролю складали 225Ч170 мкм.

Для кількісної оцінки параметрів ДР використовувалися оригінальні методики, створені на базі пакету прикладних програм MatLAB.

Розвиток ДР на поверхні характеризувався параметрами насиченості і , які взаємно пов'язані і визначаються відносною часткою поверхні, покритою слідами ДР:

, (1)

де - площа поверхні зі слідами ДР; А - величина площі, що досліджується; - модифікований параметр насиченості ДР.

Розрахунок параметрів насиченості ДР і виконувався за методикою, яка базується на числовій обробці цифрових фотографій контрольованої поверхні, отриманих в режимі мікроскоп з перетворенням зображення у монохромне. Таке перетворення дозволяє в автоматизованому режимі визначати відносну площу з слідами ДР (чорних ділянок). Модифікований параметр насиченості на відміну від визначається як відношення площі чорних ділянок до білих - вільних від слідів ДР.

Іншим параметром, який використовувався для кількісної характеристики ДР у напрямку, нормальному до поверхні, був параметр шорсткості . Для його визначення була розроблена нова методика з використанням інтерференційного профілометру. Відповідно до цієї методики ділянка, що досліджувалася, розбивалась на 320 ліній довжиною 240 пікселів, по яким визначалося середнє арифметичне відхилення профілю від середнього значення уздовж кожної лінії з усередненням по усім лініям:

. (2)

Зміна шорсткості поверхні плакованого шару при циклічному напрацюванні характеризувалася приростом параметра шорсткості

по відношенню до його вихідного значення до циклічного навантажування:

. (3)

Розповсюдженння ДР на поверхні та зростання її шорсткості на ділянках з ДР є факторами, що обумовлюють збільшення площі поверхні з циклічним напрацюванням по відношенню до її вихідного значення (до циклічного навантажування). Зміну площі ділянки, що контролюється, можна кількісно охариктиризовати величиною пластичної деформації поверхні:

, (4)

де - поточне значення площі поверхні в процесі циклічного напрацювання.

Для визначення площі поверхня ділянки контролю представлялася у вигляді сітки трикутників, координати вершин яких відповідали значенням висоти рельєфу , що вимірювалися профілометром. Формувався тривимірний масив даних, який представлявся для обробки як матриця з 320Ч240 чарунок. Загальна площа поверхні визначалася як сума площин усіх трикутників.

Слід зазначити, що пластична деформація на відміну від параметрів насиченості і шорсткості є комплексною характеристикою ДР. Її значення характеризує розвиток ДР як на площині поверхні, так і в нормальному до поверхні напрямку.

Третій розділ присвячений вивченню процесів еволюції ДР на поверхні плакуючого шару сплаву Д 16АТ від числа циклів і діючих напружень при регулярному та випадковому режимах циклічного навантажування.

Визначено вплив стану поверхні зразку (наявність та відсутність поліровки) на процес формування ДР.

При наявності різниці у значеннях вихідної шорсткості поверхні для полірованих і неполірованих зразків зміна параметру з циклічним напрацюванням для різних значень напружень у циклі має загальний характер. На першому етапі відбувається інтенсивне збільшення значень параметру . У подальшому швидкість збільшення шорсткості зменшується і стабілізується, причому значення швидкості зростання для полірованої і неполірованої поверхонь близькі між собою. Однак ДР найкраще проявляється на полірованій поверхні, що враховувалося при підготовці зразків до випробувань. Зі збільшенням діючих напружень рівень значень швидкості формування шорсткості також збільшується.

У роботі показано, що через істотну відмінність (на порядок) границі текучості для матеріалу серцевини зразків Д 16 ( 290 МПа) і плакуючого шару з алюмінію ( 30 МПа) навіть при пружному розтяганні та розвантажуванні сплаву Д 16 () деформування плакуючого шару здійснюється по знакозмінному пружно-пластичному циклу із значним розмахом циклічної пластичної деформації.

Порівняльні випробування на утому показали, що наявність плакуючого шару на поверхні конструкційного сплаву Д 16АТ приводить до зниження границі витривалості на 35…45% у порівнянні із зразками зі сплаву Д 16Т (без плакуючого шару). Таким чином, наявність плакуючого шару призводить до зменшення утомної міцності сплаву Д 16АТ.

Експериментальні залежності шорсткості поверхні від циклічного напрацювання при регулярному та випадковому циклічному навантажуванні представлялись у відносних параметрах і , де - відносне напрацювання, що визначається поточним числом циклів , віднесеному до напрацювання до появи тріщини довжиною 0,5 мм

У подвійних логарифмічних координатах ці залежності апроксимуються прямими лініями.

Після узагальнення отримано аналітичне представлення цих залежностей:

- для регулярного циклічного навантажування:

(5)

- для випадкового циклічного навантажування:

, (6)

де і вимірюються у МПа.

Дослідження еволюції насиченості ДР на поверхні зразків показали, що при регулярному та випадковому циклічному навантажуванні параметр зростає з напрацюванням по степеневій залежності виду

, (7)

де і коефіцієнти.

Експериментально отримано, що коефіцієнти і не залежать від рівня напружень і у середньому дорівнюють: а=0,366 і =0,8 для регулярного та а=0,388 і = 0,48 для випадкового навантажування.

Таким чином можна стверджувати, що утворенню тріщини утоми (при ) незалежно від діючих напружень та способу навантажування відповідає уніфіковане значення граничної насиченості ДР .

Застосування при дослідженнях інтерференційного профілометру дало змогу порівняти показники розповсюдження ДР на площі поверхні (параметр D), з показниками його розвитку у нормальному до поверхні напрямку (параметр ).

Встановлено, що ДР з циклічним напрацюванням розвивається у трьох напрямках. Збільшення площі, зайнятою ДР супроводжується зростанням шорсткості поверхні на цих ділянках площі. Регресійні залежності між параметрами D і мають вигляд

- для регулярного циклічного навантажування:

; (8)

- для випадкового циклічного навантажування:

, (9)

де 60 МПа150 МПа і 80 МПа100 МПа.

Отримані закономірності формування та розвитку ДР на поверхні плакованого шару обумовлюють необхідність використання параметру, який узагальнено описував би еволюцію ДР у тривимірному просторі. Для цього пропонується використовувати величину пластичної деформації поверхні.

Четвертий розділ присвячений дослідженню процесів пластичного деформування поверхні плакуючого шару сплаву Д 16АТ при регулярному ті випадковому циклічному навантажуванні, встановленню залежностей між параметрами ДР та величиною пластичної деформації, розробці регресійної моделі прогнозування граничного стану обшивки літака до утворення втомної тріщини по показниках ДР на поверхні плакуючого шару.

Базуючись на положеннях дислокаційної теорії пластичного деформування, у роботі показано, що ДР формується масовим виходом дислокацій на поверхню. При цьому внутрішня енергія таких дислокацій анігілює і перетворюється у енергію додаткової поверхні рельєфу. Величини енергії анігіляції дислокацій і поверхневої енергії утвореного ДР приблизно однакові, що вказує, по-перше на дислокаційну природу ДР і, по-друге, на можливість його кількісної оцінки величиною пластичної деформації поверхні.

У роботі запропонована математична модель формування ДР, яка базується на врахуванні додаткової площі поверхні

при її пластичному деформуванні. Показано, що цю додаткову площу можна охарактеризувати показниками ДР на площині поверхні - насиченістю (1) і периметром усіх ділянок ДР, що займають площу , а також параметром , який характеризує розвиток ДР у напрямку, нормальному до поверхні, і визначається показником приросту шорсткості ДР , де - коефіцієнт пропорційності.

На основі співвідношення (4) отримано

, (10)

де - параметр, що описує співвідношення площі та периметра проявів ДР.

Таким чином пластична деформація поверхні визначається показниками розповсюдження ДР у тривимірному просторі - на площині () і в нормальному до неї напрямку ().

Суттєвим результатом, що витікає з розробленої моделі формування ДР, є висновок стосовно пошкоджуваності плакуючого шару. Так, при розвитку ДР збільшення площі поверхні шару повинно приводити до зростання його об'єму. За умови незмінності кількості матеріалу плакуючого шару таке збільшення об'єму може відбуватися тільки за рахунок деструкції, яка приводить до приросту об'єму на

Параметром пошкоджуваності плакуючого шару є відношення до вихідного значення об'єму

,

де t - товщина плакуючого шару. З урахуванням параметрів розробленої моделі ДР отримано

. (11)

Підтвердженням негативного впливу пошкоджуваності плакуючого шару на утомну міцність можна вважати зниження довговічності сплаву Д 16АТ на 35…45% у порівнянні з сплавом Д 16Т.

Експериментальні дослідження еволюції пластичного деформування поверхні плакуючого шару з циклічним напрацюванням проводилося при регулярному та при випадковому циклічному навантажуванні. Отримано, що рівень пластичного деформування поверхні залежить від діючого напруження і змінюється на порядок - від 0,2…0,5 % при 60 МПа до 4…6 % при 130МПа.

Регресійні залежності величини пластичної деформації поверхні від відносного напрацювання та діючих напружень для регулярного та випадкового циклічного навантажування мають, відповідно, вигляд

; (12)

, (13)

де напруження вимірюються у МПа.

З метою обґрунтування параметрів ДР для їх використання при прогнозуванні граничного стану визначався взаємозв'язок пластичної деформації поверхні з іншими показниками ДР при фіксованих значеннях циклічного напрацювання.

Було встановлено, що залежність пластичної деформації від параметру насиченості ДР є степеневою. У той же час для усіх рівнів напруження при регулярному та випадковому циклічному навантажуванні має місце лінійна залежність між і модифікованим параметром насиченості ДР

. (14)

де коефіцієнт лінійно змінюється від діючих напружень, відповідно, при регулярному та випадковому навантажуванні:

; (15)

, (16)

де напруження вимірюються у МПа.

Регресійні залежності (15) і (16) в подальшому використовувалися в моделях прогнозування напрацювання до граничного стану.

Граничному стану, який визначається виникненням біля отвору зразка тріщини утоми довжиною 0,5 мм, відповідають граничні значення параметрів ДР. Такі параметри ДР як насиченість та відносне напрацювання незалежно від діючих напружень і режиму навантажування приймають конкретні числові значення: ; . Тому потребують визначення граничні значення пластичної деформації поверхні та відносної шорсткості . У роботі показано, що між цими параметрами є лінійна залежність. Експериментальні точки для регулярного та випадкового циклічного навантажування апроксимуються функцією

,

яку можна вважати інваріантною по відношенню до виду циклічного навантажування та рівня напружень.

Методика прогнозування граничного стану обшивки ЛА, яка розроблена у роботі, передбачає визначення відносного значення залишкової довговічності до утворення біля отвору під заклепку утомної тріщини довжиною 0,5 мм:

, (17)

де - напрацювання обшивки до -го контролю; - напрацювання до граничного стану, яке відповідає пошкодженню обшивки при -му контролі; - відносне напрацювання, що визначається як

і підлягаю розрахунку з використанням певної моделі з врахуванням параметрів ДР.

Для обґрунтування розрахункової моделі визначення у роботі був проведений статистичний аналіз отриманих регресійних залежностей параметрів ДР із використанням коефіцієнту детермінації та критерію Фішера. У результаті аналізу встановлено, що найбільш прийнятною є модель, де використовується параметр пластичної деформації:

. (18)

У роботі показано, що найбільш точний прогноз залишкової довговічності реалізовується в інтервалі відносного напрацювання обшивки = 0,1…0,8.

Висновки

літак обшивка алюмінієвий профілометр

Головний науковий результат роботи - нове вирішення науково-технічної задачі прогнозування напрацювання до утворення утомної тріщини в обшивці ЛА по показниках еволюції деформаційного рельєфу на поверхні плакуючого шару сплаву Д 16АТ. Дана задача вирішена шляхом наукового обґрунтування та розробки нового методу реєстрації кількісних характеристик деформаційного рельєфу з використанням безконтактного інтерференційного профілометра та встановленням закономірностей зміни таких характеристик при регулярному та випадковому режимах циклічного навантажування.

Проведені дослідження дозволяють зробити наступні висновки.

1. Розроблено та апробований комплекс оригінальних методик, алгоритмічне та програмне забезпечення для дослідження ДР на поверхні плакуючого шару алюмінієвого сплаву Д 16АТ при циклічному навантажуванні, що включає методики реєстрації насиченості ДР, шорсткості та пластичній деформації поверхні контрольованих площадок зразків із застосуванням безконтактного інтерференційного профілометра. Розроблене методичне забезпечення дозволяє одержувати якісну та кількісну інформацію про деформаційний стан плакучого шару об'єкта контролю для оцінки його історії навантажуванності та пошкоджуванності.

2. На підставі базових положень про дислокаційні процеси пластичного деформування розроблена модель формування ДР на поверхні матеріалів, яка встановлює залежність пластичної деформації поверхні від основних параметрів ДР - насиченості та збільшення параметра шорсткості. На базі даної моделі запропонована функція пошкодження та обґрунтовано негативний вплив плакуючого шару на втомну міцність сплаву Д 16АТ.

3. Експериментально встановлено, що наявність плакуючого шару на поверхні конструкційного сплаву Д 16АТ приводить до зниження границі витривалості в порівнянні зі зразками із сплаву Д 16Т без плакуючого шару на 35...45%.

4. У процесі циклічного навантажування відбувається збільшення площі локальних ділянок поверхні плакуючого шару на яких розвивається ДР, і яке супроводжується ростом шорсткості поверхні на цих ділянках. Установлено регресійні залежності між характеристиками розвитку ДР у площині поверхні (параметр насиченості ДР) і в нормальному до неї напрямку (параметр шорсткості), а також залежності цих характеристик від циклічного наробітку.

5. Визначено, що показники насиченості ДР і шорсткості поверхні зростають із числом циклів навантажування, причому це зростання загасає, і при більших наробітках характеристики виходять на етап насичення. При наведені даних залежностей у координатах відносного наробітку (щодо числа циклів до утворення тріщини втоми) встановлено, що зміна параметра насиченості ДР не залежить від діючих напружень, а його граничне значення є інваріантним по відношенню до виду циклічного навантажування (регулярне або випадкове) і до величини діючого в циклі напруження.

6. При регулярному та при випадковому циклічному навантажуванні відбувається безперервне знакозмінне пластичне деформування поверхні плакуючого шару з накопиченням залишкової деформації. Величина накопиченої пластичної деформації поверхні зростає як із числом циклів навантажування, так і з ростом насиченості ДР, причому інтенсивність такого росту визначається величиною діючих у циклі напружень. Залежності пластичної деформації поверхні від наробітку при різних напружень є подібними.

7. Незалежно від виду циклічного навантажування (регулярного або випадкового) і незалежно від рівня діючих напружень у циклі має місце інваріантне лінійне співвідношення між граничними значеннями (яке відповідає утворенню втомної тріщини) пластичної деформації та відносної шорсткості поверхні плакуючого шару.

8. На підставі отриманих у роботі результатів запропонована методика прогнозування граничного стану обшивки ЛА, заснована на розрахунку відносного циклічного наробітку до утворення втомної тріщини за значеннями показників еволюції ДР, які реєструються на контрольованій ділянці поверхні. Аналіз розрахункових моделей, заснованих на використанні різних характеристик ДР, показав, що найбільш прийнятні результати прогнозування забезпечуються при використанні величини накопиченої пластичної деформації поверхні плакуючого шару у діапазоні відносного наробітку від 0,1 до 0,8. Адекватність методу підтверджена випробуваннями на втому при випадковому навантажуванні, яке імітує експлуатаційний спектр навантажень.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Исследование микропластического деформирования при усталости методом склерометрии / С.Р. Игнатович, Д.И. Борисов, С.С. Юцкевич, [и др.] // Авиационно-космическая техника и технология: Вип. 8 (24) ? Харьков: ХАИ, 2005 ? С. 81?84.

2. Игнатович С.Р. Диагностика состояния поверхностного слоя конструкционных материалов методом наносклерометрии с учетом шероховатости / С.Р. Игнатович, Д.И. Борисов, С.С. Юцкевич // Авиационно-космическая техника и технология. ? № 9 (35). ? Харьков: ХАИ, 2006. ? С. 60?64.

3. Игнатович С.Р. Виброакустическая диагностика усталостной поврежденности образцов из алюминиевого сплава / С.Р. Игнатович, Н.И. Бурау, С.С. Юцкевич // Авиационно-космическая техника и технология. ? № 9 (45). ? Харьков: ХАИ, 2007. ? С. 124?128.

4. Исследование процесса усталости в сплаве Д 16АТ при помощи нанопрофилометр / С.Р. Игнатович, С.С. Юцкевич, В.И. Закиев, Ю.Н. Майстренко // Вестник двигателестроения - № 3. ? Харьков: ХАИ, 2008.- C.99-102.

5. Игнатович С.Р. Особенности формирования деформационного рельефа на поверхности сплава Д 16АТ при усталости / С.Р. Игнатович, В.Н. Шмаров, С.С. Юцкевич // Авиационно-космическая техника и технология. ? 2009. ? № 10. ? С. 132?136.

6. Юцкевич С.С. Микропластическое деформирование поверхности сплава Д 16АТ при случайном программном нагружении / С.С. Юцкевич // Проблеми тертя та зношування. ? 2010. ? Випуск 52. ? С. 85?91.

7. Ignatovich S.R. Metal fatigue process investigation by the interference nanoprofilometer / S.R. Ignatovich, V.I. Zakiev, S.S. Yutskevych // Safety in Aviation and Space Technology: Proceeding of the Third World Congress "Aviation in the XXI-st Century" (22-24 September, 2008). ? V.1, Kyiv, 2008. ? P. 12.7-12.10.

8. Интерференционный профилометр для контроля топографии поверхности материалов с нанометровым разрешением / С.Р. Игнатович, И.М. Закиев,

9. С.С. Юцкевич, [и др.] // Праці Міжнародної НТК ["Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи його діагностування і прогнозування"], (Тернопіль, 21-24 вересня 2009 р.) ? Тернопіль: Терн. держ. техн. університет, 2009. ? С. 175?179.

10. Эволюция деформационного рельефа плакированного слоя алюминиевого сплава Д 16АТ при усталости / С.Р. Игнатович, М.В. Карускевич, С.С. Юцкевич, [и др.] // Праці Міжнародної НТК ["Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи його діагностування і прогнозування"], (Тернопіль, 21-24 вересня

11. 2009 р.) ? Тернопіль: Терн. держ. техн. університет, 2009. ? С. 47?53.

12. Деформационный рельеф поверхности как показатель усталостной поврежденности авиационных сплавов на основе алюминия / С.Р. Игнатович, М.В. Карускевич, С.С. Юцкевич, [и др.] // Сб. материалов Третьей междунар. конф. ["Деформация и разрушение материалов и наноматериалов"], (Москва, 12-15 окт. 2009 г.) ? Т.1. ? М. : Интерконтакт Наука, 2009. ? С. 53?54.

13. Патент на корисну модель № 39972 Україна, G01B 9/02; 11/30. Безконтактний тривимірний профілометр / С.Р. Ігнатович, І.М. Закієв, В.І. Закієв, С.С. Юцкевич; Власник НАУ. - № 200809989; заявл. 01.08.2008; опубл. 25.03.2009, Бюл. № 6. ? 3 с.: 2 іл.

14. Ignatovich S.R. Methodical aspects of alloy D16AT deformation relief registration under cyclic loads / S.R. Ignatovich, S.S. Yutskevych, E. Ju. Doroshenko,

15. S.V. Priluckiy // Safety in Aviation and Space Technology: Proceeding of the Fourth World Congress "Aviation in the XXI-st Century"(21-23 September, 2010). ? V.1, Kyiv, 2010. ? P. 13.17-13.20.

16. Ignatovich S. The fatigue damage control of Al-clad alloy D16AT by characteristics of deformation relief on surface / S. Ignatovich, S. Yutskevych // XV International Colloquium "Mechanical Fatigue of Metals. 13-15 September 2010. ? Opole: Opole University of Technology, 2010. ? P. 25.

Размещено на Allbest.ru