Испытание на усталость

Определение устойчивости материала или конструкции к циклическим нагрузкам

Испытание на усталость крыла Airbus A380 IABG (показано крыло, отклоненное вверх, наложенное на ненагруженное крыло). Крыло было испытано в общей сложности в 47500 полетах, что в 2,5 раза превышает количество полетов за 25 лет эксплуатации. Каждый 16-часовой полет занимал 11 минут для имитации на испытательном стенде на усталость. ^[1]

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

Испытания на усталость купонов обычно проводятся с использованием сервогидравлических испытательных машин , которые способны прикладывать большие циклические нагрузки переменной амплитуды . ^{[2] Испытания} с постоянной амплитудой также могут применяться с помощью более простых осциллирующих машин. Усталостная долговечность купона — это количество циклов, необходимое для его разрушения. 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 в климатических камерах , где можно контролировать температуру, влажность и окружающую среду, которые могут влиять на скорость роста трещин.

Из-за размера и уникальной формы полноразмерных испытательных образцов строятся специальные испытательные стенды для приложения нагрузок с помощью ряда гидравлических или электрических приводов . Приводы направлены на воспроизведение значительных нагрузок, испытываемых конструкцией, которые в случае самолета могут состоять из маневра, порыва, бафтинга и нагрузки земля-воздух-земля (GAG). Представительный образец или блок нагрузки применяется многократно до тех пор, пока не будет продемонстрирован безопасный срок службы конструкции или не возникнут неисправности, которые необходимо устранить. На конструкции устанавливаются приборы, такие как тензодатчики , тензодатчики и датчики смещения, чтобы гарантировать приложение правильной нагрузки. Периодические проверки конструкции вокруг критических концентраций напряжений, таких как отверстия и фитинги, проводятся для определения времени обнаружения обнаруживаемых трещин и для обеспечения того, чтобы любые возникающие трещины не повлияли на другие области испытательного образца. Поскольку не все нагрузки могут быть применены, любые несбалансированные структурные нагрузки обычно реагируют на испытательный пол через некритическую конструкцию, такую ​​как шасси.

Стандарты летной годности обычно требуют проведения испытания на усталость для больших самолетов перед сертификацией для определения их безопасного срока службы . ^[3] Безопасность малых самолетов может быть продемонстрирована расчетами, хотя обычно используются большие разбросы или коэффициенты безопасности из-за дополнительной неопределенности.

Тесты купонов

Машина для испытания на усталость MTS-810

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

Форма купона

Можно использовать различные купоны, но вот некоторые из наиболее распространенных:

• Компактный купон для испытания на растяжение (CT). Компактный образец использует наименьшее количество материала для образца, который используется для измерения роста трещин. ^[4] Компактные образцы для испытания на растяжение обычно используют штифты, которые немного меньше отверстий в купоне для приложения нагрузок. Однако этот метод не позволяет точно прикладывать нагрузки, близкие к нулю, и поэтому купон не рекомендуется, когда необходимо прикладывать отрицательные нагрузки. ^[4]
• Панель с центральным трещинным растяжением (CCT). Образец с центральным трещинным растяжением или средним растяжением изготавливается из плоского листа или стержня, содержащего два отверстия для крепления к захватам.
• Купон для испытания на растяжение с односторонним надрезом (SENT). ^[5] Купон для испытания на растяжение с односторонним надрезом представляет собой удлиненную версию компактного купона для испытания на растяжение.

Инструментарий

Для контроля испытаний купонов обычно используются следующие приборы:

• Тензодатчики используются для контроля приложенной нагрузки или полей напряжений вокруг вершины трещины. Они могут быть размещены под траекторией трещины или на задней поверхности компактного купонного образца для испытания на растяжение. ^[6]
• Экстензометр или датчик смещения можно использовать для измерения смещения раскрытия кончика трещины в устье трещины. Это значение можно использовать для определения коэффициента интенсивности напряжения, который будет меняться в зависимости от длины трещины. Датчики смещения также можно использовать для измерения податливости купона и положения во время цикла нагрузки, когда происходит контакт между противоположными сторонами трещины, чтобы измерить закрытие трещины .
• Прикладываемые испытательные нагрузки обычно контролируются на испытательной машине с помощью тензодатчика.
• Для измерения положения вершины трещины можно использовать передвижной оптический микроскоп .

Полномасштабные испытания на усталость

Испытание на усталость в Boeing Everett

Полномасштабные испытания могут использоваться для:

1. Утвердить предлагаемый график технического обслуживания самолетов.
2. Продемонстрировать безопасность конструкции, которая может быть подвержена обширным усталостным повреждениям.
3. Генерация данных об усталости
4. Подтвердите ожидания относительно возникновения и характера роста трещин.
5. Определите критические места
6. Проверить программное обеспечение, используемое при проектировании и производстве самолета.

Испытания на усталость также можно использовать для определения степени распространенности усталостных повреждений, которые могут представлять собой проблему.

Тестовая статья

Сертификация требует знания и учета полной истории нагрузки, которую испытало тестовое изделие. Использование тестовых изделий, которые ранее использовались для статических контрольных испытаний, вызывало проблемы, когда применялись перегрузки , и это может замедлить скорость роста усталостных трещин.

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

Усталостные трещины обычно возникают в областях с высоким напряжением, таких как концентрации напряжений или дефекты материалов и производства. Важно, чтобы испытательный образец был репрезентативным для всех этих особенностей.

Трещины могут возникнуть из следующих источников:

• Фреттинг , как правило, из-за большого количества циклов динамических нагрузок.
• 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 галтели.
• Царапины, повреждения от ударов.

Последовательность загрузки

Представительный блок нагрузки применяется повторно 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, как правило, не менее десяти раз в течение всего испытания, чтобы не было никаких эффектов последовательности. ^[9]

Последовательность нагрузки обычно фильтруется, чтобы исключить применение небольших циклов повреждения без усталости, которые могут занять слишком много времени. Обычно используются два типа фильтрации:

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

Скорость испытания крупных конструкций обычно ограничена несколькими Гц и должна избегать резонансной частоты конструкции. ^[10]

Испытательный стенд

Стенд для испытаний на усталость на авиабазе Райт-Паттерсон

Все компоненты, которые не являются частью испытательного изделия или прибора, называются испытательной установкой . Следующие компоненты обычно встречаются в полномасштабных усталостных испытаниях :

• Whiffletrees . Для того чтобы приложить правильные нагрузки к различным частям конструкции, механизм, известный как whiffletree, используется для распределения нагрузок от привода нагрузки к испытываемому изделию. Нагрузки, приложенные к центральной точке, распределяются через ряд соединенных штифтами балок для создания известных нагрузок на концевых соединениях. Каждое концевое соединение обычно крепится к накладке, которая приклеивается к конструкции, такой как крыло самолета. Сотни накладок обычно применяются для воспроизведения аэродинамических и инерционных нагрузок, наблюдаемых на крыле. Поскольку whiffletree состоит из натяжных связей, они не могут прикладывать сжимающие нагрузки, и поэтому независимые whiffletrees обычно используются на верхней и нижней сторонах усталостных испытаний крыла.
• Гидравлические, электромагнитные или пневматические приводы используются для приложения нагрузок к конструкции, либо напрямую, либо с помощью вифлтри для распределения нагрузок. Датчик нагрузки размещается в одной линии с приводом и используется контроллером нагрузки для управления нагрузками в приводе. Когда на гибкой испытательной конструкции используется много приводов, может возникнуть перекрестное взаимодействие между различными приводами. Контроллер нагрузки должен гарантировать, что в результате этого взаимодействия к конструкции не будут применены ложные циклы нагрузки.
• Реакционные ограничения. Многие нагрузки, такие как аэродинамические и внутренние силы, реагируют на внутренние силы, которые отсутствуют во время испытания на усталость. Таким образом, нагрузки реагируют из конструкции в некритических точках, таких как шасси или через ограничения на фюзеляже.
• Линейный переменный дифференциальный трансформатор может использоваться для измерения смещения критических точек конструкции. Пределы этих смещений могут использоваться для сигнализации о выходе конструкции из строя и для автоматического прекращения испытания.
• Нерепрезентативная структура. Некоторые испытательные структуры могут быть дорогими или недоступными и обычно заменяются на испытательной структуре эквивалентной структурой. Структура, которая находится близко к точкам крепления привода, может испытывать нереалистичную 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 испытательном изделии любые тензодатчики, которые также используются для мониторинга самолетов флота. Это позволяет выполнять те же расчеты повреждений на испытательном изделии, которые используются для отслеживания усталостной долговечности самолетов флота. Это основной способ обеспечения того, чтобы самолеты флота не превышали безопасный срок службы, определенный в ходе испытания на усталость.

Инспекции

Инспекции являются компонентом испытания на усталость. Важно знать, когда возникает обнаруживаемая трещина, чтобы определить сертифицированный срок службы каждого компонента, а также минимизировать ущерб окружающей конструкции и разработать ремонт, который окажет минимальное влияние на сертификацию смежной конструкции. Неразрушающие проверки могут 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 включают использование результатов испытаний на усталость для обоснования безопасного срока службы и эксплуатации элемента. ^[11] Цель сертификации — гарантировать, что вероятность отказа в эксплуатации приемлемо мала. Может потребоваться рассмотреть следующие факторы:

• количество тестов
• симметрия испытательной конструкции и приложенной нагрузки
• монтаж и сертификация ремонтов
• факторы рассеяния
• Изменчивость материалов и производственных процессов
• среда
• критичность

Стандарты летной годности обычно требуют, чтобы самолет оставался безопасным даже в случае разрушения конструкции из-за наличия усталостных трещин. ^[12]

Известные испытания на усталость

• Испытания F-111 на холодную нагрузку . Эти испытания включали применение статических предельных нагрузок к самолетам, которые были охлаждены для уменьшения критического размера трещины. Прохождение испытания означало, что не было крупных усталостных трещин. Когда трещины присутствовали, крылья катастрофически разрушались. ^[8]
• Международная программа испытаний на усталость конструкций (IFOSTP) была совместным предприятием Австралии, Канады и США по испытанию усталости F/A-18 Hornet . Австралийские испытания включали использование электродинамических вибростендов и пневматических подушек безопасности для имитации ударных нагрузок под большим углом атаки над хвостовым оперением . ^{[13] [14]}
• Самолет de Havilland Comet потерпел ряд катастрофических отказов , которые в конечном итоге оказались следствием усталости, несмотря на прохождение испытаний на усталость.
• Для определения разброса усталостной долговечности были проведены испытания на усталость 110 комплектов крыльев Mustang . ^[10]
• Роман «Шоссе отсутствует» и фильм « В небе нет шоссе», рассказывающие о вымышленном испытании на усталость фюзеляжа пассажирского самолета.
• Испытания на усталость также использовались для выращивания усталостных трещин, которые слишком малы для обнаружения. ^[15]

Ссылки

1. "Программа испытаний и сертификация" . Получено 2020-02-27 .
2. "High-Rate Test Systems" (PDF) . MTS . Получено 26 июня 2019 .
3. "FAA ЧАСТЬ 23 — Стандарты летной годности: Самолеты нормальной категории" . Получено 26 июня 2019 г. .
4. Комитет ASTM E08.06 (2013). E647 Стандартный метод испытаний для измерения скорости роста усталостных трещин . ASTM International .{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
5. "Испытание на растяжение с односторонним надрезом". NIST. 6 марта 2017 г. Получено 26 июня 2019 г.
6. Newman, JC; Yamada, Y.; James, MA (2011). «Соотношение податливости деформации задней поверхности для компактных образцов для широкого диапазона длин трещин». Engineering Fracture Mechanics . 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 . Получено 26 июня 2019 г.
8. Redmond, Gerard. «От «безопасной жизни» до механики разрушения — испытания самолета F111 на холодную температуру на авиабазе RAAF в Эмберли». Архивировано из оригинала 27 апреля 2019 г. Получено 17 апреля 2019 г.
9. Требования к конструкции и летной годности служебных самолетов (отчет). Соединенное Королевство, Министерство обороны. 1982.
10. Molent, L. (2005). История испытаний на усталость конструкций в Fishermans Bend Australia (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 26 июня 2019 г. . Получено 26 июня 2019 г. .
11. Требования к конструкции и летной годности служебных самолетов . Соединенное Королевство, Министерство обороны. 1982.
12. "Стандарты летной годности FAA для самолетов транспортной категории, Оценка устойчивости к повреждениям и усталости конструкции" . Получено 2021-02-02 .
13. "Испытание на вибрационную усталость оперения F/A-18". Defence Science and Technology Group . 11 марта 2014 г. Получено 26 июня 2019 г.
14. Симпсон, Д. Л.; Ландри, Н.; Руссель, Дж.; Молент, Л.; Шмидт, Н. «Канадский и австралийский международный проект по последующим структурным испытаниям F/A-18» (PDF) . Получено 26 июня 2019 г.
15. Molent, L.; Dixon, B.; Barter, S.; White, P.; Mills, T.; Maxfield, K.; Swanton, G.; Main, B. (2009). «Усовершенствованная разборка центральных фюзеляжей бывших самолетов F/A-18A/B/C/D». 25-й симпозиум ICAF – Роттердам, 27–29 мая 2009 г.

Дальнейшее чтение

• Анализ выживаемости
• Широко распространенные усталостные повреждения в военных самолетах (PDF) . Получено 26 июня 2019 г.
• Boyer, HE "Испытания на усталость" . Получено 26 июня 2019 г.

Внешние ссылки

«Boeing 787 проводит усталостные испытания». YouTube . 12 мая 2011 г. . Получено 18 июля 2019 г. .