Испытание на усталость — Fatigue testing

Испытание на усталость — Fatigue testing

IABG Испытание на усталость крыла Airbus A380 . Крыло испытано в общей сложности 47500 полетов, что в 2,5 раза превышает количество полетов за 25 лет эксплуатации. Для моделирования на стенде для испытаний на усталость каждые 16 часов полета требовалось 11 минут.

Испытания на усталость — это специализированная форма механических испытаний , которые выполняются путем приложения циклической нагрузки к образцу или конструкции. Эти испытания используются либо для получения усталостной долговечности и данных о росте трещин, выявления критических мест или демонстрации безопасности конструкции, которая может быть подвержена усталости. Испытания на усталость используются для различных компонентов, от купонов до полноразмерных испытательных изделий, таких как автомобили и самолеты .

Испытания на усталость купонов обычно проводятся с использованием сервогидравлических испытательных машин которые способны выдерживать циклические нагрузки большой переменной амплитуды. Испытания постоянной амплитуды могут также применяться на более простых колебательных машинах. Усталостный ресурс купона — это количество циклов, необходимое для его разрушения. Эти данные могут быть использованы для построения кривых стресс-долговечности или деформации-долговечности. Скорость роста трещины в купоне также может быть измерена либо во время испытания, либо после него с помощью фрактографии . Тестирование купонов также может проводиться 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 образцов для испытаний созданы специальные испытательные стенды для приложения нагрузок с помощью серии гидравлических или электрических приводов . Приводы предназначены для воспроизведения значительных нагрузок, испытываемых конструкцией, которая в случае самолета может состоять из маневра, порыва, удара и нагрузки земля-воздух-земля (GAG). Репрезентативный образец или блок нагрузки применяется повторно до тех пор, пока безопасный срок службы конструкции не будет продемонстрирован или пока не возникнут отказы, которые необходимо отремонтировать. Такие приборы, как тензодатчики , тензодатчики и датчики смещения , устанавливаются на конструкции для обеспечения применения правильной нагрузки. Проводятся периодические проверки конструкции вокруг критических концентраций напряжений , таких как отверстия и фитинги, чтобы определить время обнаружения обнаруживаемых трещин и убедиться, что любые трещины, которые действительно возникают, не влияют на другие области тестовой статьи. Поскольку не все нагрузки могут быть приложены, любые несбалансированные структурные нагрузки обычно передаются испытательному полу через некритические конструкции, такие как ходовая часть.

Стандарты летной годности обычно требуют проведения испытаний на усталость больших самолетов перед сертификацией для определения их безопасного срока службы. Малые воздушные суда могут продемонстрировать безопасность посредством расчетов, хотя обычно используются большие разбросы или коэффициенты безопасности из-за связанной с этим дополнительной неопределенности.

Купонные испытания

Машина для испытания на усталость MTS-810

Испытания на усталость используются для получения данных о материалах, таких как скорость роста усталостной трещины, которые можно использовать с уравнениями роста трещин для прогнозирования усталостной долговечности. Эти испытания обычно определяют скорость роста трещины за цикл da / d N { displaystyle da / dN} в сравнении с коэффициентом интенсивности напряжения в диапазоне Δ K { displaystyle Delta K} . Для обеспечения повторяемости и упрощения определения коэффициента интенсивности напряжения были разработаны стандартизированные тесты.

Форма купона

Можно использовать различные купоны, но некоторые из наиболее распространенных:

• компактный купон на растяжение (CT)
• растянутый по центру натяжной элемент (CCT)
• купон на растяжение с односторонним надрезом (SENT).

компактный образец на растяжение

В компактном образце используется наименьшее количество материала для образца, который используется для измерения роста трещин. Компактные образцы растяжения обычно используют штифты, которые немного меньше, чем отверстия в купоне, для приложения нагрузок. Однако этот метод предотвращает точное приложение нагрузок, близких к нулю, и поэтому купон не рекомендуется, когда необходимо приложить отрицательные нагрузки. Рекомендуемая толщина Вт / 20 .

. Диапазон интенсивности напряжений Δ K { displaystyle Delta K} для компактных купонов может быть рассчитан по приложенной нагрузке P { displaystyle P} для образца шириной B { displaystyle B} с использованием

Δ K = Δ PBW (2 + α) (1 — α) 3 / 2 (0,886 + 4,64 α — 13,32 α 2 + 14,72 α 3 — 5,6 α 4) { displaystyle Delta K = { frac { Delta P} {B { sqrt {W}}}} { frac { (2+ alpha)} {(1- alpha) ^ {3/2}}} (0.886 + 4.64 alpha -13.32 alpha ^ {2} +14.72 alpha ^ {3} -5.6 alpha ^ { 4})}

где α = a / W { displaystyle alpha = a / W} и a { displaystyle a} — это длина трещины, а W { displaystyle W} — это расстояние между приложенной нагрузкой и задней стороной купона. Это уравнение действительно для a / W>0,2 { displaystyle a / W>0,2} .

Инструменты

Следующие инструменты обычно используются для мониторинга тестов купонов:

• Штамм датчики используются для наблюдения за приложенной нагрузкой или полями напряжений вокруг вершины трещины. Они могут быть размещены под траекторией трещины или на задней поверхности компактного образца растяжения.
• 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 изменяться с длиной трещины. также может использоваться для измерения податливости купона и положения во время цикла нагружения, когда происходит контакт между противоположными поверхностями трещины, для измерения cra ck closure .
• Применяемые испытательные нагрузки обычно контролируются на испытательной машине с помощью датчика нагрузки.
• Передвижной оптический микроскоп можно использовать для измерения положения вершины трещины.

Полномасштабные испытания на усталость

Испытания на усталость в Boeing Everett

Полномасштабные испытания могут использоваться для:

1. подтверждения предложенного графика технического обслуживания самолета.
2. Демонстрация безопасности конструкции, которая может быть восприимчивым к широко распространенным усталостным повреждениям.
3. Создание данных об усталости
4. Подтверждение ожиданий по зарождению трещин и модели роста.
5. Определение критических мест
6. Проверка программного обеспечения, используемого для проектировать и производить самолет.

Испытания на усталость также могут использоваться для определения степени, в которой широко распространенное усталостное повреждение может быть проблемой.

Тестовая статья

Для сертификации необходимо знать и учитывать всю историю загрузки, которая была испытана в тестовой статье. Использование тестовых образцов, которые ранее использовались для статических контрольных испытаний , вызывало проблемы, связанные с перегрузками, которые могут замедлить скорость роста усталостных трещин.

Испытательные нагрузки обычно регистрируются с использованием системы сбора данных, собирающей данные, возможно, от тысяч входов от приборов, установленных на испытуемом изделии, включая тензодатчики, датчики давления, датчики веса, LVDT и т. Д.

Усталостные трещины обычно возникают в областях с высоким напряжением, таких как концентрации напряжений или дефекты материала и изготовления. Важно, чтобы тестовая статья отражала все эти особенности.

Трещины могут возникать из следующих источников:

• Фреттинг , обычно из-за большого количества циклов динамических нагрузок.
• Просверленные отверстия или отверстия неправильного размера для посадки с натягом крепежные детали .
• Обработка материала и дефекты, такие как сломанные включения .
• Концентрации напряжений, такие как отверстия и галтели.
• Царапины, ударные повреждения.

Последовательность нагружения

Типичный блок нагружения применяется неоднократно, пока не будет продемонстрирован безопасный срок службы конструкции или пока не возникнут отказы, которые необходимо отремонтировать. Размер последовательности выбирается таким образом, чтобы максимальные нагрузки, которые могут вызвать эффекты замедления, применялись достаточно часто, обычно не менее десяти раз на протяжении всего испытания, чтобы не было эффектов последовательности.

Последовательность нагружения обычно является отфильтрован, чтобы исключить применение небольших циклов, не вызывающих усталости, которые потребуют слишком много времени для нанесения Обычно используются два типа фильтрации:

1. зона нечувствительности фильтрация устраняет небольшие циклы, которые полностью попадают в определенный диапазон, например +/- 3g.
2. фильтрация по возрастанию-падению устраняет небольшие циклы, длина которых меньше определенный диапазон, например 1g.

Скорость испытания больших конструкций обычно ограничивается несколькими Гц и необходимо избегать резонансной частоты конструкции.

Испытательный стенд

Испытательный стенд на усталости База ВВС Райт-Паттерсон

Все компоненты, не входящие в состав испытуемого изделия или приборов, называются испытательным стендом. При полномасштабных испытаниях на усталость обычно обнаруживаются следующие компоненты:

• Whiffletrees . Чтобы приложить правильные нагрузки к различным частям конструкции, используется механизм, известный как ветвь, для распределения нагрузок от нагружающего исполнительного механизма на испытуемое изделие. Нагрузки, приложенные к центральной точке, распределяются через серию соединенных штифтов балок для создания известных нагрузок на концевых соединениях. Каждое торцевое соединение обычно прикрепляется к подушке, которая прикрепляется к конструкции, такой как крыло самолета. Обычно применяются сотни подушек для воспроизведения аэродинамических и инерционных нагрузок, наблюдаемых на крыле. Поскольку ветровое дерево состоит из натяжных звеньев, они не могут прикладывать сжимающие нагрузки, и поэтому на верхней и нижней сторонах усталостных испытаний крыла обычно используются независимые ветровики.
• Для применения используются гидравлические, электромагнитные или пневматические приводы. Нагрузки на конструкцию либо напрямую, либо с помощью ветоши для распределения нагрузок. Датчик нагрузки размещается на одной линии с приводом и используется контроллером нагрузки для управления нагрузками на привод. Когда на гибкой испытательной конструкции используется много исполнительных механизмов, между различными исполнительными механизмами может происходить перекрестное взаимодействие. Контроллер нагрузки должен гарантировать, что в результате этого взаимодействия к конструкции не будут применены циклы ложных нагрузок.
• Ограничения реакции. На многие нагрузки, такие как аэродинамические и внутренние силы, действуют внутренние силы, которых нет во время испытания на усталость. Следовательно, нагрузки реагируют из конструкции в некритических точках, таких как шасси, или через ограничители на фюзеляже.
• Линейный регулируемый дифференциальный трансформатор может использоваться для измерения смещения критических мест на конструкции. Пределы этих смещений могут использоваться для сигнализации о выходе из строя конструкции и для автоматического завершения испытания.
• Непрезентативная структура. Некоторые тестовые структуры могут быть дорогими или недоступными, и их обычно заменяют в тестовой структуре эквивалентной структурой. Конструкция, расположенная близко к точкам крепления привода, может испытывать нереалистичную нагрузку, из-за которой эти области нерепрезентативны.

Контрольно-измерительные приборы

Для испытаний на усталость обычно используются следующие приборы:

• тензодатчики
• акселерометры
• датчики смещения
• датчики веса
• датчик трещин
• мониторинг состояния конструкции датчики

Важно установить на испытуемом образце любые тензодатчики, которые также используются для мониторинга воздушных судов. Это позволяет выполнять те же расчеты повреждений на испытуемом образце, которые используются для отслеживания усталостной долговечности воздушных судов парка. Это основной способ убедиться, что срок службы воздушных судов парка воздушных судов не превышает срока службы, определенного в результате испытания на усталость.

Проверки

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

Сертификация

Интерпретация испытаний и сертификация предполагает использование результатов испытания на усталость для обоснования безопасного срока службы и эксплуатации объекта. Целью сертификации является обеспечение приемлемо малой вероятности отказа в работе. Могут быть приняты во внимание следующие факторы:

• количество испытаний
• симметрия испытательной конструкции и приложенной нагрузки
• установка и сертификация ремонта
• факторы рассеяния
• изменчивость материала и производственного процесса
• окружающая среда
• критичность

Испытания на заметную усталость

• Испытания на холодную нагрузку для F-111 . Эти испытания включали приложение статических предельных нагрузок к самолету, который был охлажден для уменьшения критического размера трещины. Прохождение испытания означало, что не было больших трещин усталости. При наличии трещин крылья катастрофически выходили из строя.
• Международная программа последующих испытаний на структурную усталость (IFOSTP) была совместным предприятием Австралии, Канады и США по испытаниям на усталость F / A- 18 Хорнет . Австралийское испытание включало использование электродинамических вибростендов и пневматических подушек безопасности для имитации нагрузок с высоким углом атаки буфетами над оперением .
• de Havilland Comet потерпело серию катастрофических отказов , что в конечном итоге оказалось усталостью, несмотря на испытания на усталость.
• Были проведены усталостные испытания комплектов крыльев 110 Mustang для определения разброса усталостной долговечности.
• Роман No Highway и фильм No Highway in the Sky были посвящены вымышленным испытаниям на усталость фюзеляжа пассажирского самолета.
• Испытания на усталость также использовались для растут усталостные трещины, которые слишком малы для обнаружения.

Ссылки

Дополнительная литература

• Широко распространенные усталостные повреждения в военных самолетах (PDF). Проверено 26 июня 2019 г.
• Boyer, H.E. «Испытание на усталость» . Проверено 26 июня 2019 г.

Внешние ссылки

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