Главная  Учебные курсы  Механика разрушения  Глава X. Распространение усталостной трещины  § 10.4. Эксплуатационные нагрузки с переменной амплитудой

Эксплуатационные нагрузки с переменной амплитудой

До сих пор рассматривались циклические процессы с постоянной амплитудой. Поскольку нагрузки, действующие в процессе эксплуатации во многих конструкциях, имеют отнюдь не постоянную амплитуду, необходимо уметь рассчитывать процесс распространения трещины под действием случайной нагрузки или при действии других типов нагружения с переменной амплитудой.

В случае распространения усталостной трещины существенную роль играет взаимодействие циклов с различной амплитудой. Это можно продемонстрировать, применив в испытании с постоянной амплитудой перегрузки (см. [48, 49]). После перегрузки рост трещины в последующем циклическом процессе нагружения с постоянной амплитудой будет чрезвычайно медленным. При перегрузке, как показано на рис. 10.11, появляется большая зона пластичности. В этой зоне в материале возникают остаточные деформации, однако после разгрузки зона пластичности должна вписываться в окружающую упругую среду. Упругий материал занимает свое исходное положение, а материал в зоне пластичности — нет. Если окружающая упругая среда с уменьшением нагрузки сжимается, то зона пластичности становится для нее слишком большой. Поэтому упругий материал так изменит зону пластичности, чтобы этого несоответствия не возникало. Следовательно, со стороны окружающей упругой среды на пластически деформированный материал при вершине трещины будут действовать сжимающие напряжения. Получающееся в результате распределение остаточных напряжений схематически изображено на рис. 10.11. Как только трещина прорастет через область остаточных напряжений, вновь восстановится исходный вид кривой распространения трещины. Остаточные сжимающие напряжения стремятся закрыть вершину трещины (см. [25]). Последующий процесс циклического нагружения может возобновить рост трещины только в том случае, если величина остаточных напряжений превышена настолько, чтобы вершина трещины снова могла раскрыться. Это объясняет низкую скорость роста после перегрузки.

Рис. 10.11. Остаточные сжимающие напряжения при вершине трещины, возникающие под действием перегрузки

Влияние кратковременных перегрузок можно исследовать методами фрактографии (см. [50—52]), однако этот эффект может задержать распространение трещины на тысячи циклов. Задержка роста трещины зависит от величины перегрузки, как показано на рис. 10.12. На этом рисунке видно, что малые перегрузки могут вызывать небольшую задержку и что умеренные перегрузки могут задержать рост трещины на тысячи циклон. Многократные перегрузки, как оказывается (см. [53, 54], вызывают дополнительное замедление. Большая перегрузка может полностью остановить рост трещины при последующем циклическом нагружении с малой амплитудой.

Отрицательные нагрузки нельзя считать надежным средством создания зоны остаточных напряжений, поскольку во время сжатия трещина закрывается. Частое применение отрицательных нагрузок в испытании с постоянной амплитудой не оказывает практически никакого действия (см. [55]), однако эти нагрузки оказывают свое отрицательное действие косвенным образом: они уничтожают зону остаточных напряжений, построенную положительными перегрузками, уменьшая, таким образом, положительный эффект.

Рис. 10.12. Влияние величины перегрузки на последующий рост трещины в листе миллиметровой толщины.
Перегрузки приложены при а = 5 мм и а= 10 мм.
По вертикальной оси отложены значения ?n, необходимые для увеличения размера трещины на величину ?а

Аналогичные эффекты взаимодействия наблюдаются при программированных и импульсных нагрузках (см. [56]). Поэтому распространение усталостной трещины при нагружении в условиях эксплуатации является важным предметом исследования. В этой связи заслуживает внимания экспериментальная работа Сиджва [36, 57] по имитации нагрузок, действующих на самолет во время полета. На рис. 10.13 и 10.14 представлены полученные им результаты. Усечение спектра импульсов нагружения выявило важность той роли, которую играют эффекты взаимодействия. Усечение означает, что величина наибольшего импульса (которых имеется лишь небольшое количество) уменьшается до уровня следующего наивысшего уровня (при этом не может быть пропущена ни одна нагрузка). При дальнейшем усечении все наибольшие циклы и циклы второго наивысшего уровня уменьшаются до величины третьего наивысшего уровня и т. д.

На рис. 10.13 показано, что усечение двух наивысших уровней уже привело к уменьшению времени распространения трещины примерно на 50%. Оказывается, распространение трещин в летательных аппаратах может быть более быстрым, если эксплуатационные нагрузки меньше расчетных.

Несмотря на критическую статью Ван Юза и др. [53] и работу Короли и Пэкмэна [54], параметры, определяющие задержку роста трещины, еще нельзя использовать в аналитических выражениях для расчета процесса ее роста. Необходимы дальнейшие исследования для вычисления остаточных сжимающих напряжений и закрытия вершины трещины. Необходимо также усовершенствовать модель механизма роста трещины и сделать ее пригодной для аналитических исследовании с учетом закрытия трещины и остаточных напряжений. Это дало бы ясное понимание того, как свойства материала влияют на раскрытие находящейся в зоне пластичности вершины трещины, и того, как происходит рост трещины за счет скольжения.

Рис. 10. 13. Испытания Сиджва на имитацию полета для двух алюминиевых сплавов [57]:
а — имитация случайных нагрузок, действующих в полете;
б — спектр импульсных нагрузок (1) и ступенчатая аппроксимация (2);
в — зависимость времени распространения трещины от уровня усечения

Рис. 10. 14. Влияние усечения на распространение трещины [57]
(для определения уровня усечения см. рис. 10.13)



 Предыдущая  § 10.4. Эксплуатационные нагрузки с переменной амплитудой  Следующая 
 
FEA.RU - Расчеты прочности, CAD/FEA/CFD/CAE Технологии, КЭ механика
Яндекс цитирования
Наш сайт работает на Sapid CMS