Циклическая прочность стержневых элементов конструкций из композиционных материалов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

NsnriSio* 'I

< i n1

фТМС!«Г* <

WJMWWH'CTEPCTBO НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ

Vria политики российской федерации

комитет по высшей школе

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАТИ им. к. э. ЦИОЛКОВСКОГО)

На правах рукописи

СТРЕЛЯЕВ Дмитрий Владимирович

ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01.02.06 — «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском Государственном авиационном технологическом университете (МАТИ имени К. Э. Циолковского) на кафедре «Детали машин и ТММ».

Научный руководитель: профессор, д.т.н. Заслуженный

деятель науки и техники РФ Степанычев Е. И.

Официальные оппоненты: профессор, д.т.н. Николаев В. П.

ст. н. с. д.т.н. Петушков В. А.

Ведущее предприятие: ЦНИИСМ.

Защита состоится « » 1993 г. в часов

па заседании специализированного Совета К 063.56.02 в Московском Государственном авиационном технологическом университете (МАТИ им. К. Э. Циолковского) по адресу: Москва, Ульяновская ул., д. 13, МАТИ.

Отзыв . в 2-х экземплярах, - заверенный гербовой печатью, просим выслать по адресу: 103667, Москва, ул. Петровка, д. 27, МАТИ — Ученому секретарю специализированного Совета К063.56.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАТУ (МАТИ им. К. Э. Циолковского).

Автореферат разослан « .16 » . . 1993г.

Ученый секретарь специализированного Совета, К063.56.02

кандидат технических наук Солдатов С. А.

Подписано в печать 10.03.93. Объем 1,75. Заказ 14. Тираж 100 Типография МАШ, Ульяновская, ул., 13

ОБЩ! ХАРАШВВТШ РАБОШ.'

Актльнооть пгоблемн. Совершенствование конструкций летательных и космических аппаратов /ДА и КЛА./ характеризуется расширением применения композиционных тте риалов /Ш/ в силовых элементах их конструкций. Это обусловлено высокими удельными характеристиками прочности и жесжооти КМ в условиях статического и циклического яагружения, а также рядом специфических свойств КМ. В конструкциях современных ЛА подкрегиеше силовых металлических элементов КМ позволяет снизить ¡дасоу до 25%, а изготовление конструкций полностью из КМ - до 50Е?.

Особенность КМ как конструкционных материалов состоит в том, что пронесен изготовления тагериала и конструкции, как правило, ' совмещены, и, таким образом, каждая структура КМ требует определения фактически реализованных овойств компонентов. Многообразие схем армирования осложняет решение данной задача.

За последние года в области оптимального проектирования конструкций из КМ, разработки методов анализа их напряженно-деформированного состояния /НДР/ достигнут существенный прогресс. Однако, методы оценки несущей споообнооти как при статическом, так.и особенно при циклическом нагруквнии развиты недостаточно вследствие малого объема экспериментальных работ.

Наиболее перспективными КМ являются углепластики /УБ/. позволяющие достичь высокой весовой эб^Ееятивнооги конструкций. Свойства КМ полнее реализуются в элементах, работающих в условиях осевого нагрухения. Одними из таких типичных силовых элементов являются стеркяи ферменных конструкций. Подобные элементы, например, используются в силовом ¡»боре конструкций КЛА многоразового использования, а также в конструкциях крепления радиотехнических устройств КЛА,-Длительность использования КЛА /число циклов порядка ю4...Ю5/ л ниахио когкМициенгн запаса ставят еощюо об уточненной опалю ресурса сторянопых силовых эло.увктов лз УП. "Узким" местом конструкций такого рода является локальная тащоткэнность

- 4 -

стадией в зона концевой арматура узлов соединений, а таклв отсутствие количественных ха ранге рис тис статической ирошюсти и сопротивления усталости УП конкретной структуры пакета. В литературе привалены разрозненные данные по усталости УП, полученные т лабораторных образдах для различных видов структур, водочон и штрин, иш-вде, в основном, штеряаловедческсе значение.

В связи о этик поставленная в диссертациизадача исследования циклической прочности стержневых элементов из КМ, включающая аналитическую оценку локального 1ЩЗ в области металлической закоацовки и экспериментальный анализ сопротивления .усталости УБ, являотоя актуальной.

Изломанное ише позволяет сформулировать следувдие этапы решения поставленной задачи;

- изучение закономерностей сопротивления усталости полимерных КМ /ЮЛ/ в связи о влиянием анизотропии, асимметрии нагрумения, рессеквакия циклической долговечности и получение совокупности дашшх для построения дааграьм'про дельных амплитуд, неойхрдашх' для оценки ресурса и надобности}

- аналитическое решение задачи о 1ЩХ'стерк.чевого элемента, олкоикшиев локалыше поля напряжёний и деформаций в зоне краевого эффекта, с цель.» уточнения параметров напрякенности, использ'уешх в уравнениях долговечности,

- разработка и .гкспериментальное обоснование модели сннг.ения оотаточной прочности КМ при циклическом нагруженки вследствие накопления усталостных повреждений, применимой для расчета долговеч-

' ноотл и оценки надежности.

Методика исследований. В теоретической части работы для ре- • тения задачи о [Щ2 стержня использовали метода механики конструкций из КМ, При испытаниях на статическую прочность и усталость примен/дась иотода планирования и обработки результатов, апробированный при аналогичных ксшташях металлов. Статические и усталостные «¿испытания проходились в отраслевой лаборатории й 15

- 5 -

МЗУ ГА ла серэогидравлической установка ИТ5 о компьютерным управлением, Для статистической обработки результатов использовались специализированные вычяслятольше программу.

Объектом исследований являются регулярные стеркневчо элемента узла крепления антенны локатора КМ из УП на основе ленты 70Л-300 и связующего ЗХД о металлической концевой арматурой, рабохаючие в условиях отнулеього цшиш риитнкения при г.ал ом градиенте изменения температуры, а также лабораторный оСразци-свпдетелп.

Научная нсузиэна. В диссертации получено аналитическое решение задачи для цилиндрического пустотелого стеркневого эломента из анизотропного слоистого КН, дшощее зозмолность количественного описания локального НДС в области металлической концевой арматуры. Решение учитывает анизотропию свойств пйкега КМ, изменение метрики оболочки и геометрическую нелинейность постановки. Для тонкостенных стеркневых элементов определяющими факторами являются анизотропия свойств я изменение метрики оболочки. Вследствие незначительного снижения жесткости УП и практически лишйннх деформатив-них свойствах ото решение описывает попикловое ВДЗ стержневого элемента до долговечности, составляющей" примерно 90$ от разрушающего числа циклов.

Предложена модель раочета долговечности, основанная на криге-рии снижения остаточной прочности УП вследствие накопления рассеян-них усталости« повреждений при циклическом нагружегага. Модель позволяет определять параметры распределения долговечности и уравнений кривых усталости для различных вероятностей разрушения по параметрам-кинетического уравнения остаточной прочности. При этом гарактеристики статической прочности, входящие з условие разруше-чия, подчиняются двухшраметрическому распределению Вейбулла, а срипая усталости оплснвается двойшм распределением Вейбулла.

Модель расчета долговечности подтверждена экспзримонталысш? мзультагаш по статической и усталостной прочности УП дая-обраэг лов и натурных стержней. По этим результатам оггрэцедбвн параметр,

б -

уравнений кривых усталости, статистических распределений прочности и долговечности, построена диаграмма предвлькых аышитуд для различных баз по долговечности. Эти экспериментальные результаты в совокупности о анализом литературных данных описысаит закономерности усталостного разрушения Л!.

Достоверность 'твоотц. Ростове рюсть реаения теоретической задачи подтверждается схолимостыо общего решения с ранее )юлученны;.и для изотропных оболочек при упрощении расчетной схем..

Экспериментальная часть исследования проведена на статистичеа юз предо тавитальном объеме испытаний на образцах и контрольных испытаниях на моделях. При испытаниях приценялась оборудование с еысокдш метрологическими характеристиками, результаты испытаний подвергались статистическому оцениванию по специализированным прог раммам. Имеется корреляция усталостных характеристик исследуемого ТО и аналогичных зарубежных КМ.

Практическое значение работа. Полученное решение ирлпенлио для расчетного анализа НДЗ стеркневих элементов из К1Л с целью выбора оптимальных схем аудирования при анализе весовой отпехтивнос-ти и интенсивности полей напряжений и деформаций в зоне краевого эффекта. '

йсс пера ментальные данные по статической и усталостной прочное ти могут быть использованы при проектировании стержневых атепеНтм йэ КЫ, подвергающихся статическим и циклическим нагрузкам.

■ Предложенная модель снижения остаточной прочности применила для оценки долговечности и надежности с тошней из КМ, работаюккх в условиях циклического нагрузхешш.

Результаты решения задачи о НД! стеркпей из УП и расчета дол говечноотк переданы в ВДИИЗИ для использования яр; проектировании элементов конструкций КМ.

Аггрр^еуния работы. Ооапвгшв -результаты работы доложены на ■ научных оекгаарьх ка^едрн "Легаши машин и ТШ" МГА17 /¿1АТИ им, 1С. с. Циолковского/ /май,19Э'Х; февраль, 1993/; на научном семи-

аре отраслевой лаЛдаторяи! Ш*1боЗИЙП: ^сокоэЗйэктив'Ныо соодв*. еняя кошйзицяонннх' тяерййлоа*' /окгяф;». Ш'яйуйюм сеш-арэ отраслевой'лаборат&ряз • & 15 1.П7 ГА /дб'кабрь,- 1932/. Й-1 програм-у международной конференции ЖМ-92 /г. Рига/ включены тезисн док-яда "Исследование краевого эффекта в тонкостенных стержнях из эмпозицяонного материала".

Пуолшсацил. опубликована одна статья. Структура и объем габотч. Диссертация состоит из. введения,-глав с выводами,- заключе1кя,. включающего основные рззуль'тййй'п' 1вода ,по работе,,списка'литератур»;- Работа иашййиа'на 117 стропах машинописного" текста;; количество- рисунков - 27;; бяблйбдайг-:ских наименований - 81;.

СОДЗРгИНЙЁ РАМ;.

Й^ЛЩш:кратко1 обосйоваиг* актуальность темы-диссертации,-ар&ктэризована-' эф^ктшйсть-применения КМ а силовых конотрук-аа^ввроковмйче'ской'техники,, кйлохеш причина,-ослочатдав иссле-1кпсгег. овпротййлвйиЯ'КМ устадоота;-

?> тшя>£?главу рассштрецо современное состояние вопроса -изу^ ния-'ооиротивлсЕйа ИЛ 'усталости;, ояиоатг существуйте подхода?'к:' оектаройайет'Седовых1 элементов конструкций из КМ.-Приведена о^ства КМ,', необходимые" .чая1 проектирования,' показано';, та'0- при ом характерце тайн усталости КМ 'являются одними из наиболее вачс-х и' наименее- изученных.

Проведен'аналитический обзорРсепротивлешш КМ усталости нуте к стакатязадаи и' обработки имей1ци^8й'экс перименталышХ' дашшх по ечестввкннм и зарубежным ис^оздййа!Г. - обосновал шбор! типа обтяо-э из 511 для экспериментального-изучения характеристик ста.тичес- • й и усталостной прочности^.Выявлены основшда факторы, влилогцм цйяличеокув долговечность-КМ, .к числу которых относятся аош.;-грия цшсла'на1тружения,'-анизотропия свойств, разброс шш.тлческоЛ лговечкботзЫ-СЙисаны особенности'кривых усталости и длэгра^

- 8 -

■ 'Горелыvi* ащщпуд КМ, доказана возможность их ашроксимании.'а ■г;гК}..з описания рассеивания циклической долговечноеi-и КМ существуй идш («тематическим аппаратом /степенные уравнения долговечности; 'урьикокия Гербора, Боллера, Гудмапа для несимметричных циклов; ло гари^лшчески нормальное, Вэйбулловсхое и Гукбелевское распределения долговечности/. Отмечено, что теория усталости КМ еще на разр сютана.

Показано, что дня проведения расчета долговечности стержкеш ¡элементов из КУ необходимо сформировать модель снижения остаточ ной прочности КМ при Циклическом нагружэнзш, обоснованную результатами статических и усталостных испытаний образцов и натурных зленентов. Из особенностей усталостных характеристик УП штекает необходимость уточнения НДЗ элементов конструкций.

Определены ос ковше задачи дисиергаилч, обусловленные актуальностью проблемы исследования сопротивления УП1 усталости,

Втошя глат посвяцена о гаю а i ню локального ПДЗ стерхневого вломента из КМ в области концевой коталлической аржтури с. цель» выявления возможной зоны разрушения. Задача о МДС стеркневого , ■ элемента поставлена с учетом соотношений.'общей теории упругости . «изотропных оболочек, изложенных'в монографиях A.C. Дмбарцукяна, В.В. Васильева, А.Л. Гольденвейзера, В.ЗЗ, Новожилова. Подчеркнуто что задача расчета влементов конструкций предполагает наяисачке полной спсгеш уравнений, определяющих'совокупность искомых функций и состветствуюдах граничных условий. Отмочено, что д,ля анализа Щр иеоучдх алеызнтов конструкций из перспекглвшх Kit, в том числе, из высокопрочных и внеокомодулышх УП, используется уравне-кия теории упругости в геометрически ноллнеПной постановке.

Б качество расчетной Ьхеш етерккевого олегл-шта in к;,| выбрала Фрготроиная круговая цилиндрическая оболочка, которая рас очен— ';я»Ш0'УОЯ и ортогональной криволинейной системе кооргшшт оС , ß ' ^ /рш>, X/. Оси с< й р совмецеин с глашищ naum:vrbn;;H:ai, с. овь совналивг с нарушой кортны, г поверхности npiitei^.H'";;,

-3-(U)

hj Pио* I. Расчетная схема

стержневого элемента конструкции из КМ.

За поверхность приведения принята внутренняя поверхность оболочки.

Оболочка толщиной h считается дмнчой, нагруженной постоянными внешним давлением ф , внутренним р и распределенным растя-' гавающим усилием N . В сечении с( « 0 предполагается наличие яееткой заделки. . .

При построении расчетной схемы введены следующие гипотезы:

- перемещение поверхности приведения в осевом направлении

и0 U-0 (<*) i

- в плоскости Ы-ff отсутствует адеиг, т.о. деформация пакета КМ » 0;

- пакет считается нескимаемам, что позволяет заключить: прогиб оболочки соеЬ&дает с перемещением поверхности приведения относительно оси f и является, функцией продольной координата / W =

= W, (<*) /•

Отмечено, что коэффициенты Лама, онредолящие метрические свойства, для рассштриваешй оболочки равны: Hj- --• ILj =1, а Hg а /5 + , где R = const .

Показано, что, рассматривая элемент КМ в системе координат сС,р , для принятой расчетной схсмн модаэ получить елвдузэциэ ураннзкия теории упругости а геометрически яеллнейнэй постановке:

-1 о -

~ -уратдаеиия'равновесия

- геометрические соотконвйы

J„ dU, г. W du/^SU... _ /?/

Закон Гука ддаортогрстаюго KM записан в вида

' »Единив уравкавдя'в совокупности с • физическими и тзомеяридае-;, kims г^ранидажд усдовиязи а тдае крцкдакщ! долущедаяла образуют ' ■ подау» систему'уравнений теории удругости для досгавдедаой ;зададаи Отметено, что, поскольку «доле.!.» JZlf /3/ аналижидесдого решения не имеет, дая оценки влияния на ловдщноз Щ! стёрадя та-'-. iuix факторов, как аго;эо;грошш цакета изменение метрики оболоч-' ■ кл, .учет геометрической делкнфйнасти,, целесообразно рассмотреть ''частные случаи задачи* '

- случай £ г- геометрически линейная постановка для ортотроп- ■ ; ; ного пакета Ое.з уч,ета изменения метрики}

■ .г случай J3 г- 1®о,мегричаски линейная постановка с учетом метрики и ортотропии; - /

■ ,' . - случай С - геометрически нелинейная постановка дая орто-.тронного пакета баз'учета изменения метрики. ' '.. Дяя'давних. частных случаев можно записать систеш разреадю-ipn: уравнений.относительно перемещений поверхности приведения /знаком " обозначены производные соответствующих функций но оС/. Случай А -

Случай В -/ -

- А'» - к3 ^

{£4 Г*/? и? + - ¿^ (¿7?

, * -п о

2/?г У

Случай С -

Я + А И ^ , ,шЬ2

- ~ ♦./V I - ¿р

0|

—

/6/

Для систем /4/ и /5/ получены точные аналитические решения. Случай А -

(Клпи-созб*) + 1] , где

Случай В

Ц,Г<*) + где

/8/

Соотношения /7/ и /8/ позволяет опоедо^ть хсмцонентн нэпря- . генного. состояния пакета, . , ,

- I 2

Случай A -

fí^JL 4. CT ,74- -i« 1 __ 1

uo< L ^ Cat VJg Í? 7"7=T --я... .............. У

vir U » « hR +'J*£«eß )

-Щ) +h (ЗЕр -Д^Щ) j «sfe* 4

(ß^+Щ) t/V M^n^ln ;

ПК

х(ж ^^ ^ ^ (f^-Щ)} smh«-*.

+ CMfcí] +

+ ¿T£ C03fe* - £ + \ ;

Случай В /У,//?« 0,2/ - '

Щ R УЩ (j^ ^ ^ - у^ ') + .

j cosL +

^R-ZJFpCjW^fl (R+2h) + - .

-Ш^у&е, rmf*5REp )] 5 Ï. h U ] •

X í г j> л/ j<о пг-, ^ж^^^е^тшр)

+ h^(2RjfßclЕв -] +

4 ^Гр^хщ у^шТШ) -

+ '/щбвчтощ) j s£„ f*. ;

j

- I 3 -

? /10/

R+tf

,_=_t , x

r Ê*P ^ + )

* 0*-/» 'iijR^hj- «in +

+ ■tJvêpË.tR) - m 'Щ X

« (3/?+Hj) 1 C03M + —

r, I J J R(2R+h)

* [{(2Я +h~f)[ji^Eb,(R+2h) ~\(Е<£р(ЗГ1г+-10ЫУ} -

- /? с fy tf tf-f M) F* f sinïc<-f ' + {< - в*) [-/^j Fc<CR+2h) - VFjEpfSPZ+fOfPh)) + ■ /? Г cosïrtj] ; • 2- = -j? T^ 2ГСГ-М __

* V^TÛ/?-*-.^ cos^ -^pVËTÎR^^nïci} _

Полученные выражения для норшльянх- напряжений пакета /9/, /10/ шслзопаэт две составляющие, первая из которых является, реке-гпгем .для сЙзмомзнтнэЛ постановки, а вторая описывает поле лапряче-ний в зоне краевого эффекта. Касательно напряжения, соогнонения доя которых дайценк аналитически. является квадратичной функцией хоордеюитн ^ , зависят от структур лак эта КМ, затухает с ростом координаты . et л могут служить причиной расслоения в пояс краевого эффекта..

Ctr'jToiTi равретшшх равнений /6/ /о.туча;! С/ аналитического радения не имеет, но позволяет оценить влияние учета геометрической шлтне Злости на .даярпзседаое состояние пакета. Как видно аз рвд. 2, дом ос^лочок, хмемщх h/R 4 ОД, учат .тооштрячокой нэ-лгссЯиэато .даст попреку оудеотавшга «ииьызю, чек измепвете мот.ри-на оос.чачкл. ¡Ь-чшягэ -.ятргхи тоФадаге утагшт,' папгага с h'/Rb-0.05. '

Ш ; /-

2Й

0,0 б

Рас. 2. Оценка

влияния на напряженное

состояние пакета изменения

, метрики оболочки /I/ и учета п

<7,7 0^5 0,2 геометрической нелинейности /2/.

Поля шпряяекий в зона локального Н.ЕР определяется параметрами $ , / при экспоненте в уравнениях /э/, /10/. Доказано, что для анизотропных оболочек влияние характеристик анизотропной упругости на ВДС.в области краевого - э#екта выражено сильнее, чем отношения ¡1 //? .

Полученные аналитические решения /9/ и /10/,били использованы для сценки НДЗ исследуемого стержневого элемента из УП, имеющего отношение /)//? - 0,067. Решение /10/, учитывающее изменение .-жтри-ки, уточняет на 5...6% решение /9/, учи^нвандее только анизотропию пакета. Максимальные напряжения и деформации, полученные из /10/, на 10...12$ выше определенных по классическому решетам для изо- ^ ' трзпкой оболочки.

Насчет напряжений пакета б^, 6р , • ПРИ заданном случае нагрухения /отнулезое раст.гашние/ показал, что в области кощэвой арматуры стержня реализуется нгактичесын лляейюе напряженное состояние /погрешность 1,5$/,. Таким образом, расслаиванием пакета в зоне законцовки модно пренебречь.

Проведенный анализ возводил заключить, чго при циклическом нагруяении наиболее вероятно усталостное разруменке стерши в области одной из закоицовок, где шшрляешш и доГхэрмация достппшг .■максимальных значений.. Результаты расчета осевых напряжений и прогиба сгзрхиачогс аглмеата лррзедены на рис. Л.

-i b -

Третья глава содержит результаты экспвришнтапъного нбслоц;)-ваяпя статической и усталостной прочности У11, из которого были изготовлены рассматриваете стержневые элементы. Статические и усталостные испытания проводились на образдах-лопатках с корсетом и грубчатах стерккях с металлическими захонцовками. Длина стержней в рабочей части составляла 200 мы, .длина клеевых соединений на "ус" - по 75 т, внутренний диаметр стершей - 30 ш, толщина ctohíuí - I ш, Закондожи приклеивались клосм горячего отвервде-ния УП-5-2;зЗУ. Пакет имел структуру /0/90/0/-, соответствующую структуре натурного. элоиолта. •• t

Скорость нагруивьня при статических да питаниях составляла 50"кН па Зо с, частота циклического нагр.ухенчя - 10 Гд при отиуло-BQM и Б Гц Црй (ию.?-ОТ№1чло'1 Ш.СЯ8Х, Дс^'.оv;m-;iu£ii ц41/;оаровалЮ!Ь чипами на базе' 2й- ш о avn «птичеокой рог;..>?ра1»оВ диаграмм деоор--

NMinaaiTiirt.

- г 6 - _

Количество испытаний определялось по /датодике, изложенной в работах, М.Н. Степнова, и составило:

- для определения характера и® статической прочности - 15;

- лля оценки дисперсии долговечности - 20;

- для построения кривой усталости ■ 35 образцов для доверительной вероятности 95&.

При статических исшташях определяли характеристики прочное» ти.нрк растяжения, сжатии, изгайэ, а гайке модуль упругости пакета ы осевой направления к относительное удлиненно при разрыве." Установлено, что диаграмм! деформяровагам п$и статическом нагружеяия имч»тчлишйний характер; линейность сохраняется в процессе циклического. шгружешм. Йзрушэнио при статическом и циклическом наг-рухониях имзет хрупкий характер, Морфологии статического и циклического изломов практически совпадают.

. Статистическая обработка результатов ноянтаний проводилась с использованием специализировакннх компьютерных программ, разработанных в отраслевой лаборатории 15 МТУ ГА, Проверил гипотез о соотвагчзмш акспергоэнталышх даим »орч^ьному, Вейбуллотколу и хумбвлввокону рвовределв1М.чмчпо ¿<р*тармю X3 ползал;», что .ркслрод&гоюю статической прочности Лучма. охксшзастек даухпа1ы.й*-рачесислм ¡распределением Ввйбузиа н я'о ирогвоорзчат 'нориыоноау 'закону. Параметры распределений ткоторих характеристик лсследуе-тга УП щтедекы в табл. I.

йсиктшш на' усталость проведай на трех уровнях максиадь-йых наггряжаннй, равянх 620, 640, «70 ГШ прг-омулевом и 480, С60, 640 № згри овмдатрпчнои.даиах. Часть образцов исттшалась для онрзделеняя остаточной прочности:. Вагадэно, что рассоизашю долговечности ;цра отнулеиом .щклз зависит,' а паи ыплчетречпои'на зависит от уровна' шаряква^а, чхЬ учуивалось ща рэгрессзюнной о<5ш-¿откэ -хвэуликлов иопнкишй. ■

НИ определении усгл:.-осаГ; щкмвншгась.

* * г

егетююе уравнение. Колучвише углвтиик е.дагжческоК лапай

Таблица I.

Параметры' кряганх распределения некоторых свойств исследуемого-711.

Механические '.характеристики. Портальное расщ»деление - 2-х параметрическое . ; распределение ВеЗбулла'

X V, % т

Продел прочности при растяжений, &(*Вр, М11а '678,8 59,0 10,18 70,94 /709,4 1

¡Модуль упругос--1 ти при растяжений, , ГОа 121,5 6,66 5,48 22,03 124,56

Относительное, удлинение 'при-разрыв 0,584 0,04 6,85 17.71 0,6024

%8/><'х'У. ¿0,2 . = 0,5

рессии и зависимость дисперсии логарифма лслговочнооти от уровня напряжений тепольвованы для построения кршзых усталости 7П, соответствующих различным вероятностям разрушения '

.. грЭс + у г

ь ю г ц . /п/:

Здесь у1 - величина, г.ччттслязжя но ураигеяич-лшши регрессии;

- на остове экспериментальных данная; • - квантиль нормированного нор-.£лыюго распределения .тая вероятности Р. '.'

Кривая уоталостн 6 -А/ является отображенном стохаотичес- ' кой связи между разрушающий налргосвняем- и долговочябстью.." Связь .. мехсду ними макет быть предотавдейа.в ввде двойного рестфадеаёгои•

ЕоМулл« /З.В. Болотин/

PCe,A/;=I-exp[.(-|/12/

досматривая А/ как параметр, получаем функцию распределения разрушающих напряжений / (отах или б'сс/ при заданной долговечности. Принимая в качестве параметра аапряяения & , получаем функции распределения долговечности. Уравнение /12/ описывает, таким образен, полную вероятностную диаграмму усталости.

На рио. А. приведены кррые усталости УП для отнулевого цикла, построенные по параметру вероятности разрушения. Для вероятности разрушения 50$ уравнения долговечности УП имеют вид:

- ртаулввой цикл /V = I0120'^в/пах^'7 »

- симметричный цикл /V» ю56'46 фа~18'63.

6тах,МПа.

.900 800

700 600

500

Р=50\ Го ¿99%

• \ • ч • - «и<» > ß » •» к • • • _ • • t • ~ »

-

•

10е 2 - 1012 10*2 10*2 Ю1'2

Рис. 4. Кривые усталости ТО для различных вероятностей раз> руления при отнулевом цикле нагрухокия. *

'••■Для ис ело дуемо го ТО даах'рамма предельных амплитуд в зоне ^ преоблазаявд растягивающих циклов / й изменяется-от I до -.1/ ошюнвввюя лаввешоы Гербера, а в зона преобладающих саикшядах вйклйв //?--нзюнявтоя'ог -I до I/ ургшнениямя ^дмаяа-Болпера.

'.даю. 1»се»*1ДО1Ю» случак дагружэадя уртшкэ Гэрбера имеет

' » * *

! П ВЯД

- I 9 -

Параметра. уравнения /1Э/ для йаз испытаний /V !О3, Ю4, .. 10^, 10® циклов имеют следующие значения: ав « 1,15;'1,16; 1,19; 1,23 соответственно. Диаграмма предельных амшшгуд дая.'иослёдуемог го УП приведена на рас. 5.

6dtMricL

P-1 j ...

\f?= со X/ /Й-0-

-200 /

. м.. 1' (,' ....^ i i V-

-воо -т -400 -¿00 о 200 ьоо то_

МП а.

Рас- 5. Диаграмма предельная"атликтуд У11 для долговечности I03.. .10®-циклов /вероятность разрушения Р = 50%' /,

■Испытания стэркней проводились дтя'ограниченной-сёрйи.(;Стата-' ческая прочность 'оценивалась по 3, а усталостная- долговечность -по 5 испытаниям. Разрушюоще. напряжения'составили,612,.".648 Ша,\ коэффициент вариацииоценивался по размаху выборка а равен 12$. Мчзду результатаг,я испытаний образцов и стершие!! наблюдается статистическое подобие, описивавиое эффектом абсолютных,размеров fio Вей буллу, Диаграммы дефорировакия стершей лилефш. .разрушения, -предельные дефоршция составила 0,5..,0,6¡£, Разрушение' носило> хрупкий характер и .происходило я. области одной-на 'зшсотговод. как пря статпческго, так. ir np;t усталостных испытаниях,' что соотаетбт-вует реиешш' -задачи о. ВДС стержневого Элемента. Ур&впеяао долго-

вечности дагя стершей имеет' вил

fyN = 122,3 - 37,33 &тах /IV

Оценка возможной погрешности расчета долговечности отершевого элемента из УП без учета локального ИДЗ 'по уравнениям /10/ показывает, что ошибка б определении долговечности составляет почти полтора порядка не в запас на базе К)** циклов.

, В процессе усталостных испытаний изучалось изменение /упругих свойств УЛ при циклическом тагружеши. Понижение модуля упругости не превышало 5$ до момента разрушения. Процесс накопления повреждений 'имеет три стадии: с убывающей /0 $ /V /Л£>40,2/, постоянной /0,2 < /У 0,95/, а также возрастающей непосредственно перед

разрушением скоростью.

Поскольку разрушение УП при статическом и усталостном нагру-кении имело сходный хрупкий характер, наблюдалось постепенное снижение упругих характеристик, можно заключить, что параметром, от-рвлагщим повреждаемость при усталостном кагружении УП,является снижение жесткости. Т&ким образом, данкне по -¡кинетике накопления рассеянных повреждений могут служить основой для прогнозирования долговечности, т.х, при дшнеЯных свойствах сшгдзние жесткости свидетельствует об уменьшении остаточной прочности. В связи с эти усталостное разрушение будет иметь место, когда остаточная прочность отанет равной максимальному напряжению цикла, т.е. условие разрушения зяяииэтся

вт*х . Ло/

- „ В основу предлагаемой модели расчета долговечности и оценка надежности етбркнэвих элементов из КМ положено утверждение, что статическая прочность УП подчиняется двухпараквтрическому распрз-даленшэ Ввйбулга, чтет на противоречит данным проведенных испытаний. Для- распределения Зейбулла, записанного "В виде

^(Я)-! ~ ехр[- З/р!*. Д6/ •

параметра для образцов и стержней принимают значения: Р0 - 709,4 МПа ; Ы0 = 10,94,' = 680 МПа; Ыс «= 10,81.

Счжтая, что сюисоние остаточной прочности описывается дифференциальным уравнением

!т .где /17/

б1 - ткснмальноэ напряжение цикла; -коэффициент асммгатрни; /77 - параметр гаге риала; =» К и определяется

из кривой устачоста, после преобразований с учетом /15/, ¿'16/ по-лучеш уравнения снижения остаточной прочности и фуннаил'распределения долговечное та - ' . ■ .

А*»*'

/Vх'-

/ГУ

о, я: < о.

f)

Приложение разработанной модели к конкретному стерзкёвоцу элементу' из УП показало, что она достаточно точно согласуется с эксдарямантальшщ! результатами. Для проверка этого утверждения бнла построгана но параметрам модели теоретическая кривая усталости элемента, практически совпадоошя с кривой усталости, полученной по результатам регрессионного анализа ;8кстарю$нталышх дан-шх. Параизтрн ¡-».шли для стэгккевого элемента имеют значения: оСс - Ю,ST; Jc = 600 Mia; Щс 7.05; 6С = 37,33} Кс= Ю"1^2-''. Дгя образг.ов--.:спп.ток мл'-чони б-тизкиз значения: •-- -

709.4 1.31а.; П)0 w й,52; $0 --- 42,7; К0~ Ю"1^0»03. Тэ.им образом, акалаа уетаяоет.ч -пто» '.v.: К./' ;ю'кно прояожггь путем исшт.жгЧ обраы;,оп-олзг.Д!; тел1n i;.

Крдзая jcr'vtooru .М'" стьуш»?., лостооогапя по подели, npvmn-KCJT» на ряс. t;.

&тах> МПа. 700

600

500.

'10°

1С1

10* 103 10* 10* 106М

■ Рис.; 6. Кривая усталости для сгеркцевых элементов: '/__/;_: {нсчэг,, /'/- эксперимент* .

ООНОВШЕ РЕЗУЛЬТАШ И'ШВОД!. . . хи. Сйстештизироваш и обобщены'иуеюкргося литературные данные ¿^характеристикам сопротивления усталости УП, выявлены основные

■ фа^гори'., определяющие закономерности усталостного разрушения КМ, нео'бходнше-ддя -расчета долговечности /параметры уравнений долго-

■ вечности,:,асимметрия цикла, рассеивание долговечности, акизотро-пиЯ*'¡/получены-соответствующие количественшо оценки.

Найдено-аналитическое радение задачи о,НДС стержневого .элемента из 'КМ дая частного случая нагрукедад, учитывающее:а'кизо-' фогою 'пакета и изменение метрики оболочки; Определены соотношения для компонент.дапрязенного состояния:, кпзрешиеннй поверхности приведения.. Установлено влияние геометрической нелинейности па напряженное состояние.',Показано, что:

2 кзшнениа метрики необходимо учитывать дая оболочек, имеющих /г'-//?>Ю,05)« , ■ * ' ' - дая -оболочек с. ЫЯШ>Л изменение метрики влияет на. " напряженное;состояние • пакетам Н'больыйй степени, чем. учет теоме*рв-

ческойагаланейаос-ти;; .

'' . комюиенге локального дая оболочек с Д//?^0,2су-

.-л.геств.ето^взсят от датердатик ¿изотропной упругости пакета;;

-дая-ко1ИретноЛ> сдавою мешнта,. «>го Ш&.ОМ,-речеШЮ ^учетом изменения .-«етршш ям* пощбвку дая локашюго • Ш по срс^, ^ ^ько ^аотрспи, .««е-

-2 3-

та, на 5,,.6/f на в запас.

3. На образцах-свидетелях: л модельшх старг.ня» проведено исследование статической и циклической прочности У11 1Ш основе лонты УОЛ-ЗОО и овязуаиего ЭХД для пакета /О/'.Ю/О/g, соответствующего схеме армирования натурного стеркневого вламента, Пр лучены с татке- >■■ тические оценки параметров рас про дол они*! статической Прочности и

, долговечности; покапано, что в практических приложениях макко не- • пользовать аппроксигатдаи экспериментальных данннх распределением Зейбулла и нормальным законом. Определены параметры кривых усталости для УП. при этом показатели степенных уравнений кривых;' усталости на порядок выше, чем у металлов. Построены диаграмм» предельных , амплитуд и найден» их параметры. Показано, что полная вероятностная диаграмма усталости УП описывается двойным двухпараыетрическш распределением Эейбулла,

4. Экспериментально изучено снижение жесткости и остаточной прочности yií в процессе циклического нагружения, что указывает на рассеянней характер накопления повреждений-в УП. В связи с этим ■ предложена и экспериментально обоснована модель расчета долговечности элементов из УП, основанная на степенном уравнении снижения остаточной прочности и Вейбулловском распределении характеристик статической прочности.,

5. Из совместного рассмотрения уточненного решения задачи о НДС конкретного стеркневого'элемента л степенных уравнений долговечности УП /Л? - 20...50/"еледуэт, что для расчета долговечности необходим детальный анализ локального НДС с точностью до

• ■ >

.т.к. ошибка в определении ресурса гюжет составить нолторь-дга порядка не в запас. :.-."■

к х х я *

Автор-зьраяает благодарность доц., к.т.н. Новикову В.В. и с.н.с., к.т.н. Никонову В.В. та участие в обсуждении результатов .. работы, а такка сотрудникам лаборатории Я 15 МТУ Га за пог.юць з проведении эксперимента.

- 2 4 —

Опубликованные работы:

1, Стреляв в Д.В. Исследование краевого- Эффекта в тонкоотеншх стерзшях из композиционного ттериала//Мевдукар. конф. ЬКМ-92: Тез. докл. - Рита, 19Э2,

2. Сгреляев Д.Б. Проектировочный расчет пустотелых валов из композиционного .".атериала// Вопросы прочности деталей калган. -М.,- МИЛ, 1993, 5 ос.