Торможение трещины

Явление торможения трещины обладает двумя важными аспектами: во-первых, это торможение усталостной трещины, развитие которой через некоторое время может продолжиться; во-вторых, это торможение быстро растущей нестабильной трещины, развитие которой в случае, если бы задержка не произошла, привело бы к катастрофическому разрушению. В основе обоих аспектов торможения трещины лежат одни и те же принципы. Теоретическое обоснование этих явлений дано в гл. VI. В данной главе показано, что явление торможения трещины характерно для конструкций, выполненных из подкрепленных листов. Поэтому уместно будет рассмотреть явление торможения с технической точки зрения.

Добиться торможения усталостной трещины можно тремя различными путями:

1) уменьшением интенсивности напряжений при вершине трещины;

2) уменьшением концентрации напряжений;

3) введением остаточных сжимающих напряжении.

Уменьшения интенсивности напряжений при вершине трещины можно достичь путем передачи нагрузки на другие элементы конструкции без изменения естественной остроты вершины трещины. Именно это и происходит в подкрепленной панели, в которой стрингеры воспринимают часть нагрузки от обшивки с трещиной. Уменьшение коэффициента интенсивности напряжений означает, что уменьшается скорость распространения трещины, однако полного торможения трещины не происходит. Уменьшение скорости роста можно рассчитать довольно точно. Эта скорость зависит от вида элементов жесткости.

Уменьшение концентрации напряжений происходит, когда трещина прорастает в отверстие. Трещина может прорасти в отверстие под заклепку, которая соединяет обшивку со стропом или стрингером. Это явление не всегда желательно. Ближайшие заклепки в этом случае удалены от вершины трещины, и поэтому эффективность стрингера как элемента конструкции, воспринимающего часть нагрузки, действующей на обшивку, уменьшается. Следовательно, в этом процесс распространения трещины до и после ее торможения протекает быстрее, чем в случае, когда трещина проходит между двумя заклепками. Этот эффект может свести на нет тот выигрыш во времени, который получается за счет торможения трещины на заклепочном отверстии (см. гл. XIV, рис. 14.11).

Рис. 16.17. Рост усталостной трещины в клепаной и клееной коробчатых балках [16]:
1 — клепаные конструкции; 2 — клееные конструкции

В случае клееных стропов или стрингеров торможение трещины целиком зависит от уменьшения коэффициента интенсивности напряжений. На самом деле в этом случае происходит не торможение трещины, а только уменьшение скорости ее роста. На рис. 16.17, полученном с помощью работы Хардраса и др. [15, 16] для коробчатой балки из алюминиевого сплава, проводится сравнение идентичных по размерам клепаных стрингеров и клееных стрингеров. Торможение трещины и периоды торможения в клепаной конструкции соответствовали случаю, когда трещина прорастала в отверстия под заклепки. Однако в целом распространение трещины происходит медленнее в клееной конструкции. Рис. 16.17 подтверждает, что задержка трещины на заклепочных отверстиях не всегда является наилучшим решением. Для увеличения способности отверстия задерживать усталостные трещины в них посредством механической обработки вводят остаточные напряжения. Эта сторона проблемы рассмотрена в гл. XIV.

Рассмотрим теперь явление торможения трещины с точки зрения величины остаточной прочности. Ранее было показано, что торможение нестабильного роста трещины определяется тремя критериями: 3) разрушением стрингера; 2) разрушением элемента крепежа; 1) распространением трещины в обшивке. Если выполняется один из этих критериев, то происходит общее разрушение. При рассмотрении процесса быстрого роста трещины возникает вопрос, имеется ли какая-нибудь разница между случаями, когда трещина проходит между двумя заклепками или прорастает в заклепочное отверстие. На этот вопрос нельзя дать общего ответа, поскольку этот ответ для различных геометрий может быть разным. Строго говоря, выгоднее, чтобы трещина проходила между заклепочными отверстиями. В данном случае ближайшие заклепки находятся ближе к краям трещины, Это означает, что эффективность стрингера как элемента конструкции, воспринимающего часть нагрузки, действующей на обшивку, выше, а увеличение напряжения при вершине трещины за счет большей концентрации нагружения в стрингере и большой величины действующих на крепежные элементы нагрузок более значительно (малые значения СR). Если трещина прорастает в заклепочное отверстие, то ближайшие заклепки будут находиться на большем расстоянии от трещины; при этом уменьшение напряжения при вершине трещины будет не столь значительным, а нагрузки на стрингер и крепежные элементы будут меньше. Какая из двух ситуаций предпочтительнее, зависит от прочности стрингеров и крепежных элементов, а также от сопротивления росту трещины материала обшивки.

На рис. 16.18 представлена задача о конкретной конструкции, состоящей из листов, подкрепленных стрингерами. На этом рисунке рассмотрен случай, когда обшивка выполнена из материала 7075-T6, для которого K1c = 276 кгс/мм3/2; для стрингера, выполненною из того же материала, предел временного сопротивления растяжению σв = 55,9 кгс/мм2. Формальный анализ этой панели приводит к диаграммам остаточной прочности, изображенным на рис. 16.18, а (трещина проходит между заклепками) и на рис. 16.18,б (трещина прорастает в заклепочное отверстие). В самом деле, ослабление напряжения при вершине трещины оказывается более значительным в случае, когда эта трещина проходит между отверстиями. Это выражается в более высоком положении кривой роста трещины в обшивке на рис. 16.18, а. Критерий разрушения в этом случае определяется разрушением стрингера в точке H при напряжении 31,8 кгс/мм2. В случае б разрушение конструкции про исходит при распространении трещины в обшивке до точки K при напряжении около 29 кгс/мм2, после которого происходит разрушение стрингера в точке Н приблизительно при том же напряжении.

Согласно этому анализу, остаточная прочность в случае б меньше, чем в случае а. Однако до сих пор не было рассмотрено еще одно достоинство заклепочного отверстия. Если в точке R (случай б) трещина прорастает в заклепочное отверстие, то острой вершины трещины более не существует. Это означает, что дальнейший рост трещины произойдет при более высоком напряжении, чем это предполагалось при построении кривой f. Напряжение, необходимое для возобновления роста трещины, в зависимости от размера отверстия будет лежать, где-то между точками R и L.

Предположим, что размер трещины такой, что ее развитие откладывается до точки S. В точке Т происходит повторная остановка трещины. После этого трещина медленно растет до точки К, в которой происходит окончательное разрушение. В этом случае положительный эффект, связанный с наличием отверстия, отсутствует совсем. Это остается справедливым до тех пор, пока возобновление роста трещины происходит при напряжениях, меньших 29 кгс/мм2. Если рост трещины откладывается до точки U, то торможения трещины не происходит вовсе и в точке V происходит разрушение стрингера. Крепежное отверстие могло бы быть достаточно большим, чтобы формально рост трещины был отложен до точки W. Однако это не имеет значения, поскольку в точке L произойдет разрушение стрингера, что, несомненно, приведет к полному разрушению конструкции. Следовательно, наибольший положительный эффект, которого можно достичь в этом случае, заключается в повышении остаточной прочности от точки K до точки L, в которой разрушение стрингера приводит к разрушению конструкции. В зависимости от размера крепежного отверстия разрушение произойдет где-то между точками K и L. Сравнение со случаем а показывает, что для данной конфигурации положительный эффект от прорастания трещины в заклепочное отверстие незначителен. Однако, как было показано ранее, для каждой конфигурации панели необходимо провести новый анализ: общего правила здесь не существует. Следует отметить, что мы пренебрегли дальнейшим ростом трещины из заклепочного отверстия. В случае, когда из заклепочного отверстия вырастает новая усталостная трещина, положительный эффект, связанный с наличием этого отверстия, исчезает и остаточная прочность определяется точкой H.

Рис. 16.18. Прорастание трещины в заклепочное отверстие [2, 3]
(по данным Пергамона): 1 — стрингер; 2 — край заклепочного отверстия; s = 58 мм



 Предыдущая  § 16.7. Торможение трещины  Следующая 
 
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line
Яндекс цитирования
MYsopromat.ru - сопромат в режиме on-line