Главная  Учебные курсы  Механика разрушения  Глава XIV. Практические вопросы  § 14.4. Трещины, приближающиеся к отверстию

Трещины, приближающиеся к отверстию

Отверстия в узлах часто оказываются расположенными в ряд. Трещина, зародившаяся в отверстии заклепочного соединения, может взаимодействовать с другими отверстиями, которые находятся вблизи или на пути распространения трещины. Если трещина проникает в отверстие, то процесс ее распространения может на некоторое время остановиться, что приводит к увеличению времени роста трещины. С другой стороны, коэффициент интенсивности напряжений для трещины, приближающейся к отверстию, существенно выше, чем коэффициент интенсивности напряжений для подобной же трещины, распространяющейся вдали от отверстий. Это различие приводит к ускорению роста трещины, что может компенсировать время задержки.

Коэффициенты интенсивности напряжений для трещины, приближающейся к отверстию, были определены Исидой [15]. Если трещина находится близко от отверстия, то интенсивность напряжений стремится к бесконечности, следовательно, трещина должна войти в отверстие с чрезвычайно большой скоростью. На рис. 14.11 представлены данные испытаний для усталостных трещин, приближающихся к отверстиям [16]. Эти результаты указывают на то, что положительное влияние остановки трещины практически компенсируется вследствие: 1) ускорения роста трещины при ее приближении к отверстию; 2) увеличения размера повреждения, поскольку отверстие становится частью общего повреждения.

Рис. 14.11. Приближение усталостных трещин к отверстиям [16].
Материал — алюминиевый сплав [2024-ТЗ:
1 — отверстие; 2 - кривая нормального роста трещины

Независимо от размера и расположения отверстий кривая распространения трещины практически идентична обычной кривой роста трещины; различия имеют тот же порядок, что и разброс данных, которые получаются в испытаниях на усталостное распространение трещины. Если построить график зависимости скорости роста трещины da/dn от ΔK (с помощью решения Исида), то, как показывают результаты нормальных испытаний, все экспериментальные точки лягут на эту кривую (см. [16]).

В некоторых испытаниях (см. [16]) отверстия были просверлены на некотором расстоянии от ожидаемой траектории распространения трещины. Если это расстояние было достаточно мало, то трещина немного отклонялась от своей траектории и входила в одно из отверстий. При этом получалась ситуация, идентичная рассмотренной на рис. 14.11. При достаточно большом удалении отверстий от ожидаемой траектории распространения трещины — трещина проходила между отверстиями; при этом были получены лишь незначительные отклонения от нормальной кривой роста трещины.

Эти результаты имеют большое значение для листовых конструкций, в которых используются заклепочные соединения. Совершенно очевидно, что способность отверстий задерживать рост трещины приносит мало пользы в случае, когда листы не усилены ребрами жесткости. Если же к пластине прикреплены стрингеры, то даже выгоднее, чтобы трещина проходила между заклепочными отверстиями. Стрингер воспринимает часть нагрузки, приложенной к обшивке с трещиной, и таким образом уменьшает коэффициент интенсивности напряжений (см. гл. XVI). Подобное действие стрингера более эффективно, когда заклепки находятся вблизи трещины: жесткость элемента стрингера, находящегося между двумя наиболее близкими к трещине заклепками, способствует закрытию этой трещины. Если трещина проходит между двумя отверстиями, то заклепки в этих отверстиях находятся в непосредственной близости от трещины. В этом случае стрингер существенно уменьшает напряжения в вершине трещины и, следовательно, уменьшает da/dn (см. гл. XVI). Если трещина проходит через отверстие, то ближайшие заклепки находятся на расстоянии, вдвое большем от трещины, и поэтому действие стрингера менее эффективно. Поскольку само по себе положительное влияние отверстия пренебрежимо мало, вероятно, наилучший результат получается, когда трещина проходит между отверстиями.

Ясно, что если отверстия в листе просверлены или подвергнуты иной холодной обработке, то ситуация меняется. В открытой литературе имеется лишь небольшая информация о способности отверстий, обработанных холодным способом, задерживать рост трещины. Стоит упомянуть лишь о некоторых данных (см. [17—19]), касающихся эффективности таких остановочных отверстий. В некоторых случаях остановочные отверстия в качестве временного средства были просверлены в вершинах трещин после того, как они уже образовались и были обнаружены. После этого в более подходящее время следовал тщательный ремонт. Де Рижк [17] и Ван Ливен и др. [18] применяли расширение остановочных отверстий, которые они просверливали при вершине трещины. Устройство, используемое ими, в сущности состоит из разрезанного вдоль продольной оси цилиндра, который можно заставить расширяться, проталкивая между двумя его половинками клин. Эффективность данного метода, как можно видеть из рис. 14.12, зависит от степени вытяжки.

В работах Эггвиртца и др. [19], а также Ван Ливена и др. [18] были исследованы иные методы введения остаточных напряжений для уменьшения скоростей роста трещин. Эти авторы запрессовывали в материал при вершине трещины стальные шары, в результате чего образовывалась «ямка Бринелля» определенного диаметра. Эггвиртц и др. [19] разработали устройство, позволяющее применять этот метод в случае, когда доступ к нужному месту конструкции затруднен.

Во время просверливания или при другом способе холодной обработки края отверстия расширяются за счет пластической деформации материала. После того как расширение произойдет, упругий материал, окружающий отверстие, стремится сжать это отверстие до его исходных размеров. Следовательно, в расширенном слое возникают внутренние напряжения. Эти внутренние сжимающие напряжения приводят к локальному уменьшению растягивающих напряжений, определяемых внешними нагрузками. Данный принцип широко применялся для задержки образования усталостной трещины. Из предыдущих рассуждений следует, что холодная обработка всех отверстий в конструкции может привести к усилению способности отверстий задерживать трещины.

Применение заклепок или болтов с размерами, превышающими размеры отверстий (например, конусообразных стопоров), также приводит к задержке образования трещин. Однако механизм этого явления иной. Со стороны элемента крепежа с размером, превышающим диаметр отверстия, на поверхностные слои отверстия действуют растягивающие напряжения, что приводит к тому же эффекту, что и подгонка болта, а именно к увеличению эффективного среднего напряжения и резкому уменьшению амплитуды изменения напряжений (остаточные сжимающие напряжения уменьшают эффективное значение среднего напряжения). Следовательно, маловероятно, чтобы запоры с размерами, превышающими диаметр отверстия, очень сильно влияли на способность этого отверстия задерживать трещины.

Рис. 14.12. Влияние степени расширения отверстия
на его способность задерживать рост трещины [18].
Остановочные отверстия диаметром 5 мм в стальном листе



 Предыдущая  § 14.4. Трещины, приближающиеся к отверстию  Следующая 
 
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line
Яндекс цитирования