Усталостные испытания

Определение устойчивости материала или конструкции к циклическому нагружению

Испытание IABG на усталость крыла Airbus A380 (показано отклоненное вверх крыло, наложенное на ненагруженное крыло). Крыло испытано в общей сложности в 47500 полетах, что в 2,5 раза превышает количество полетов за 25 лет эксплуатации. Моделирование каждого 16-часового полета на стенде для испытаний на усталость занимало 11 минут. ^[1]

Испытание на усталость — это специализированная форма механических испытаний , которая выполняется путем приложения циклической нагрузки к купону или конструкции. Эти испытания используются либо для получения данных об усталостной долговечности и росте трещин, определения критических мест или демонстрации безопасности конструкции, которая может быть подвержена усталости. Испытания на усталость используются для широкого спектра компонентов, от купонов до полноразмерных испытательных изделий, таких как автомобили и самолеты .

Усталостные испытания купонов обычно проводятся с использованием сервогидравлических испытательных машин , которые способны применять циклические нагрузки с большой переменной амплитудой . ^{[2] Испытание} постоянной амплитуды также можно проводить с помощью более простых осциллирующих машин. Усталостная долговечность купона — это количество циклов, необходимое для разрушения купона. Эти данные можно использовать для создания кривых «напряжение-жизнь» или «деформация-жизнь». Скорость роста трещин в купоне также можно измерить либо во время испытания, либо после него с помощью фрактографии . Испытания купонов также можно проводить внутри климатических камер , где можно контролировать температуру, влажность и окружающую среду, которые могут повлиять на скорость роста трещин.

Из-за размера и уникальной формы полноразмерных испытательных образцов создаются специальные испытательные стенды для приложения нагрузок посредством ряда гидравлических или электрических приводов . Приводы призваны воспроизводить значительные нагрузки, испытываемые конструкцией, которые в случае самолета могут состоять из маневра, порыва ветра, удара и нагрузки «земля-воздух-земля» (GAG). Репрезентативный образец или блок нагрузки применяется неоднократно до тех пор, пока не будет продемонстрирован безопасный срок службы конструкции или не возникнут неисправности, которые необходимо устранить. На конструкции установлены такие приборы, как тензодатчики , тензодатчики и датчики смещения , чтобы обеспечить правильное приложение нагрузки. Периодические проверки конструкции вокруг критических концентраций напряжений, таких как отверстия и фитинги, проводятся для определения времени обнаружения обнаруживаемых трещин и обеспечения того, чтобы любые возникающие трещины не затрагивали другие области испытуемого изделия. Поскольку не все нагрузки могут быть приложены, любые несбалансированные нагрузки на конструкцию обычно воздействуют на испытательную площадку через некритическую конструкцию, такую ​​как ходовая часть.

Стандарты летной годности обычно требуют проведения испытаний на усталость больших самолетов перед сертификацией для определения их безопасного срока службы . ^[3] Небольшие воздушные суда могут продемонстрировать безопасность посредством расчетов, хотя обычно используются больший разброс или коэффициенты безопасности из-за дополнительной неопределенности.

Купонные тесты

МТС-810 Машина для усталостных испытаний

Испытания на усталость используются для получения данных о материале, таких как скорость роста усталостной трещины, которые можно использовать с уравнениями роста трещин для прогнозирования усталостной долговечности. Эти испытания обычно определяют скорость роста трещин за цикл в зависимости от диапазона коэффициента интенсивности напряжений , где минимальный коэффициент интенсивности напряжений соответствует минимальной нагрузке для и принимается равным нулю для и является коэффициентом напряжения . Стандартизированные тесты были разработаны для обеспечения повторяемости и облегчения определения коэффициента интенсивности напряжения, но можно использовать и другие формы, при условии, что купон достаточно велик, чтобы быть в основном эластичным. ^[4] ${\displaystyle da/dN}$ ${\displaystyle \Delta K=K_{\max }-K_{\min }}$ ${\displaystyle K_{\min }}$ ${\displaystyle R>0}$ ${\displaystyle R\leq 0}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle R=K_{\min }/K_{\max }}$

Форма купона

Можно использовать различные купоны, но наиболее распространенными являются:

• компактный купон натяжения (CT). Для компактного образца требуется наименьшее количество материала по сравнению с образцом, используемым для измерения роста трещин. ^[4] В компактных образцах, работающих на растяжение, для приложения нагрузок обычно используются штифты, размер которых немного меньше отверстий в купоне. Однако этот метод препятствует точному приложению нагрузок, близких к нулю, и поэтому купон не рекомендуется использовать, когда необходимо приложить отрицательные нагрузки. ^[4]
• Центральная панель с трещинами (CCT). Образец растяжения с центральной трещиной или образец среднего растяжения изготавливается из плоского листа или стержня с двумя отверстиями для крепления к захватам.
• Купон на натяжение с одинарной кромкой (ОТПРАВЛЕНО). ^[5] Купон с одним краем представляет собой удлиненную версию компактного купона на растяжение.

Инструментарий

Для мониторинга испытаний купонов обычно используются следующие приборы:

• Тензорезисторы используются для контроля приложенной нагрузки или полей напряжений вокруг вершины трещины. Их можно разместить под линией трещины или на задней стороне компактной натяжной пластины. ^[6]
• Для измерения смещения раскрытия вершины трещины в устье трещины можно использовать экстензометр или датчик смещения . Это значение можно использовать для определения коэффициента интенсивности напряжений, который будет меняться с длиной трещины. Измерители смещения также можно использовать для измерения податливости купона и положения во время цикла нагружения, когда происходит контакт между противоположными сторонами трещины, с целью измерения закрытия трещины .
• Прилагаемые испытательные нагрузки обычно контролируются на испытательной машине с помощью тензодатчика.
• Для измерения положения вершины трещины можно использовать передвижной оптический микроскоп .

Полномасштабные усталостные испытания

Испытание на усталость в Boeing Everett

Полномасштабные испытания могут использоваться для:

1. Утвердить предлагаемый график технического обслуживания воздушного судна.
2. Продемонстрировать безопасность конструкции, которая может быть подвержена обширным усталостным повреждениям.
3. Генерация данных об усталости
4. Подтвердите ожидания относительно возникновения трещин и характера роста.
5. Определите критические места
6. Проверка программного обеспечения, используемого для проектирования и производства самолета.

Испытания на усталость также можно использовать для определения степени распространенности усталостных повреждений .

Тестовая статья

Сертификация требует знания и учета полной истории нагрузок, которым подвергся испытательный образец. Использование тестовых образцов, которые ранее использовались для статических контрольных испытаний , вызвало проблемы при приложении перегрузок , что может замедлить скорость роста усталостных трещин.

Испытательные нагрузки обычно регистрируются с использованием системы сбора данных, которая получает данные, возможно, от тысяч входных сигналов от приборов, установленных на испытываемом изделии, включая: тензодатчики, манометры, тензодатчики, LVDT и т. д.

Усталостные трещины обычно возникают в областях высоких напряжений, таких как концентрация напряжений или дефекты материала и производства. Важно, чтобы тестовая статья отражала все эти характеристики.

Трещины могут возникнуть из следующих источников:

• Раздражение , как правило, из-за динамических нагрузок с большим количеством циклов.
• Неправильно просверленные отверстия или отверстия неправильного размера для крепежных элементов с натягом . ^[7]
• Обработка материала и дефекты, такие как сломанные включения . ^[8]
• Концентрации напряжений, такие как отверстия и скругления.
• Царапины, ударные повреждения.

Последовательность загрузки

Репрезентативный блок нагрузки применяется неоднократно до тех пор, пока не будет продемонстрирован безопасный срок службы конструкции или не возникнут неисправности, которые необходимо устранить. Размер последовательности выбирается таким образом, чтобы максимальные нагрузки, которые могут вызвать эффекты замедления, применялись достаточно часто, обычно не менее десяти раз в течение испытания, чтобы не было эффектов последовательности. ^[9]

Последовательность нагружения обычно фильтруется, чтобы исключить применение небольших циклов, не приводящих к усталостным повреждениям, применение которых может занять слишком много времени. Обычно используются два типа фильтрации:

1. Фильтрация мертвой зоны устраняет небольшие циклы, которые полностью попадают в определенный диапазон, например +/-3g.
2. Фильтрация нарастания-падения исключает небольшие циклы, выходящие за пределы определенного диапазона, например 1g.

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

Испытательный стенд

Стенд для испытаний на усталость на базе ВВС Райт-Паттерсон

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

• Уиффлтрис . Чтобы приложить правильные нагрузки к различным частям конструкции, используется механизм, известный как « дерево» , распределяющее нагрузки от нагружающего привода к испытуемому объекту. Нагрузки, приложенные к центральной точке, распределяются по ряду соединенных балок с шарнирными соединениями для создания известных нагрузок на концевых соединениях. Каждое концевое соединение обычно прикрепляется к подушке, которая прикрепляется к конструкции, например крылу самолета. Обычно применяются сотни подушек для воспроизведения аэродинамических и инерционных нагрузок, наблюдаемых на крыле. Поскольку ветвящаяся ветвь состоит из натяжных рычагов, они не способны применять сжимающие нагрузки, поэтому при испытаниях на усталость крыла на верхней и нижней сторонах крыла обычно используются независимые ветвящиеся рейки.
• Гидравлические, электромагнитные или пневматические приводы используются для приложения нагрузок к конструкции либо напрямую, либо с помощью дерева для распределения нагрузок. Датчик нагрузки размещается на одной линии с приводом и используется контроллером нагрузки для управления нагрузками на привод. Когда в гибкой испытательной структуре используется множество исполнительных механизмов, между различными исполнительными механизмами может возникнуть перекрестное взаимодействие. Контроллер нагрузки должен гарантировать, что в результате этого взаимодействия к конструкции не будут применены ложные циклы нагрузки.
• Ограничения реакции. На многие нагрузки, такие как аэродинамические и внутренние силы, действуют внутренние силы, которые не присутствуют во время испытания на усталость. Таким образом, нагрузки выводятся из конструкции в некритических точках, таких как ходовая часть или через ограничители на фюзеляже.
• Линейный регулируемый дифференциальный трансформатор можно использовать для измерения смещения критических мест конструкции. Ограничения на эти смещения можно использовать для сигнализации о разрушении конструкции и автоматического прекращения испытаний.
• Непредставительная структура. Некоторые тестовые структуры могут быть дорогими или недоступными, и их обычно заменяют в тестовой структуре эквивалентной структурой. Конструкция, расположенная рядом с точками крепления привода, может испытывать нереальную нагрузку, что делает эти области нерепрезентативными.

Инструментарий

При испытании на усталость обычно используются следующие приборы:

• тензодатчики
• акселерометры
• датчики смещения
• тензодатчики
• датчик трещины
• датчики контроля состояния конструкций

Важно установить на испытуемом объекте тензометры, которые также используются для мониторинга воздушных судов. Это позволяет выполнять для испытательного образца те же расчеты повреждений, которые используются для отслеживания усталостного ресурса самолетов парка. Это основной способ гарантировать, что срок службы самолетов не превысит безопасный срок службы, определенный в результате испытаний на усталость.

Инспекции

Проверки являются компонентом испытаний на усталость. Важно знать, когда возникает обнаруживаемая трещина, чтобы определить сертифицированный срок службы каждого компонента, а также свести к минимуму повреждение окружающей конструкции и разработать ремонт, который оказывает минимальное влияние на сертификацию прилегающей конструкции. Неразрушающий контроль может проводиться во время испытаний, а разрушающие испытания могут использоваться в конце испытаний, чтобы убедиться, что конструкция сохраняет свою несущую способность.

Сертификация

Интерпретация и сертификация испытаний предполагает использование результатов испытаний на усталость для обоснования безопасного срока службы и эксплуатации изделия. ^[11] Цель сертификации – обеспечить приемлемо малую вероятность отказа в эксплуатации. Возможно, необходимо учитывать следующие факторы:

• количество тестов
• симметрия испытательной конструкции и приложенной нагрузки
• монтаж и сертификация ремонта
• коэффициенты рассеяния
• изменчивость материалов и производственного процесса
• среда
• критичность

Стандарты летной годности обычно требуют, чтобы самолет оставался безопасным даже в том случае, если конструкция находится в ухудшенном состоянии из-за наличия усталостного растрескивания. ^[12]

Важные испытания на усталость

• Холодоустойчивые нагрузочные испытания F-111 . Эти испытания включали применение статических предельных нагрузок к охлажденным самолетам для уменьшения критического размера трещин. Прохождение испытания означало отсутствие крупных усталостных трещин. При наличии трещин крылья катастрофически выходили из строя. ^[8]
• Международная программа последующих испытаний конструкций на усталость (IFOSTP) была совместным предприятием Австралии, Канады и США по усталостным испытаниям F/A-18 Hornet . Австралийские испытания включали использование электродинамических вибростендов и пневматических подушек безопасности для имитации ударных нагрузок под большим углом атаки по хвостовому оперению . ^{[13] [14]}
• de Havilland Comet потерпела серию катастрофических отказов , которые в конечном итоге оказались усталостью, несмотря на испытания на усталость.
• Для определения разброса усталостного ресурса были проведены усталостные испытания на 110 комплектах крыльев Мустанга . ^[10]
• Роман «Нет шоссе» и фильм «Нет шоссе в небе» посвящены вымышленным испытаниям на усталость фюзеляжа пассажирского самолета.
• Испытания на усталость также использовались для выявления усталостных трещин, которые слишком малы, чтобы их можно было обнаружить. ^[15]

Рекомендации

1. «Программа испытаний и сертификация» . Проверено 27 февраля 2020 г.
2. «Высокоскоростные испытательные системы» (PDF) . МТС . Проверено 26 июня 2019 г.
3. «ЧАСТЬ 23 FAA — Стандарты летной годности: Самолеты нормальной категории» . Проверено 26 июня 2019 г.
4. Комитет ASTM E08.06 (2013). E647 Стандартный метод испытаний для измерения скорости роста усталостных трещин . АСТМ Интернешнл .{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
5. «Испытание на растяжение с одинарным надрезом» . НИСТ . Проверено 26 июня 2019 г.
6. Ньюман, Дж. К.; Ямада, Ю.; Джеймс, Массачусетс (2011). «Зависимость податливости задней поверхности компактных образцов для широкого диапазона длин трещин». Инженерная механика разрушения . 78 (15): 2707–2711. doi :10.1016/j.engfracmech.2011.07.001.
7. Кларк, Г.; Йост, Г.С.; Янг, Г.Д. «Восстановление флота RAAF MB326H; история стареющего учебно-тренировочного флота». Усталость новых и стареющих самолетов . Проверено 26 июня 2019 г.
8. Редмонд, Джерард. «От« безопасной жизни »к механике разрушения - контрольные испытания самолета F111 при низких температурах в RAAF в Эмберли» . Проверено 17 апреля 2019 г.
9. Требования к конструкции и летной годности служебных самолетов (Отчет). Великобритания, Министерство обороны. 1982.
10. Молент, Л. (2005). История испытаний конструкций на усталость в Фишерманс-Бенд, Австралия (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 26 июня 2019 г. Проверено 26 июня 2019 г.
11. Требования к конструкции и летной годности служебных самолетов . Великобритания, Министерство обороны. 1982.
12. «Стандарты FAA для самолетов транспортной категории, оценка устойчивости конструкции к повреждениям и усталости» . Проверено 2 февраля 2021 г.
13. "Испытание хвостового оперения F/A-18 на вибрационную усталость" . Группа оборонной науки и технологий . Проверено 26 июня 2019 г.
14. Симпсон, ДЛ; Лэндри, Н.; Руссель, Дж.; Молент, Л.; Шмидт, Н. «Канадский и австралийский международный проект структурных испытаний F/A-18» (PDF) . Проверено 26 июня 2019 г.
15. Молент, Л.; Диксон, Б.; Бартер, С.; Уайт, П.; Миллс, Т.; Максфилд, К.; Суонтон, Г.; Мэйн, Б. (2009). «Расширенный разбор бывших в эксплуатации центральных фюзеляжей F/A-18A/B/C/D». 25-й симпозиум ICAF – Роттердам, 27–29 мая 2009 г.

дальнейшее чтение

• Распространенные усталостные повреждения военных самолетов (PDF) . Проверено 26 июня 2019 г.
• Бойер, ОН «Усталостные испытания» . Проверено 26 июня 2019 г.

Внешние ссылки

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