Экспериментальное исследование влияния «малых» по амплитуде нагрузок на долговечность стальных элементарных образцов

Авиационная и ракетно-космическая техника

2025. Т. 32. № 2. С. 97-107.

Авторы

Бессонов П. С.1*, Медведский А. Л.1**, Свирский Ю. А.1***, Шульга А. А.2****

1. Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), ул. Жуковского, 1, Жуковский, Московская область, 140180, Россия
2. ПАО «Яковлев», Ленинградский проспект, 68, Москва, 125315, Россия

*e-mail: pavel-7-avia@mail.ru
**e-mail: aleksandr.medvedskiy@tsagi.ru
***e-mail: yury.svirsky@tsagi.ru
****e-mail: sozencz@mail.ru

Аннотация

Нагруженность некоторых элементов авиационной техники (например, балки пилона двигателя) характеризуется наличием большого количества циклов нагружения с «малыми» амплитудами и высокими средними значениями напряжений. Расчет усталостной повреждаемости с применением широко распространенной гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений в совокупности с учетом асимметрии нагружения может приводить к значительному вкладу таких циклов в суммарное значение усталостной повреждаемости, поэтому получение корректных оценок долговечности требует экспериментально обоснованных методов учета «малых» циклов. В статье дан краткий обзор нормативных документов и открытых публикаций, содержащих такие рекомендации. Представлены результаты усталостных испытаний 21 элементарного образца типа «полоса с отверстием» из стали 30ХГСА, проведенных по длительным программам сверхмногоциклового нагружения суммарной продолжительностью более одного года. Влияние «малых» циклов определялось путем сравнения результатов испытаний на растяжение по двум группам программ нагружения: с «малыми» нагрузками и без них. Величина «малых» циклов составила 1/15 и 1/30 от величины основного цикла, а их количество – от 225 до 2866 на один блок нагружения. Показано, что добавление «малых» нагрузок в программу нагружения не привело к статистически значимым изменениям долговечности образцов. Между тем расчетное отношение долговечностей рассматриваемых программ нагружения составило 1,4 и 2,0. Таким образом, разница превысила 40%, что демонстрирует актуальность развития методик учета «малых» нагрузок. Отмечено, что повышение достоверности получаемых экспериментальных выводов требует испытаний большего количества образцов.

Ключевые слова:

сверхмногоцикловая усталость, «малые» нагрузки, «малые» циклы, циклическая долговечность, усталостные испытания, элементарные металлические образцы, предел выносливости материала

Список источников

  1. Palmgren A. Die Lebensdauer von Kugellagern // Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure. 1924. No. 68(14), pp. 339-341.
  2. Miner M.A. Cumulative Damage in Fatigue // Journal of Applied Mechanics. 1945. Vol. 12. No. 3, pp. 159-164.
  3. Агамиров Л.В., Райхер В.Л. Усталостная долговечность и повреждаемость авиационных конструкций. М.: Изд-во МЭИ, 2018. 134 с.
  4. Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1962. 260 с.
  5. Бессолова О.А., Райхер В.Л., Устинов А.С. Расчет усталостной повреждаемости при циклическом и случайном нагружении с ненулевым средним значением // Ученые записки ЦАГИ. 1989. Т. XX. № 3. С. 72-80.
  6. Шульга А.А., Барышева Д.В. Влияние отбрасывания колебаний с малой амплитудой при расчете усталостной повреждаемости // XXVI Туполевские чтения (школа молодых ученых): Сборник докладов Международной молодежной научной конференции (09 - 10 ноября 2023; Казань). Казань : Изд-во ИП Сагиев А.Р., 2023. С. 220-227.
  7. Махутов Н.А., Гаденин М.М. Исследование обобщенных кривых статического и циклического деформирования, повреждения и разрушения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 5. С. 46-55. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-5-46-55
  8. Завойчинская Э.Б., Каблин А.Р. О много- и гигацикловой усталости металлов и сплавов // Журнал технической физики. 2023. Т. 93. № 12. С. 1736-1739. DOI: 10.61011/JTF.2023.12.56807.f241-23
  9. Никитин А.Д., Никитин И.С. Экспериментальное исследование сверхмногоцикловой усталости титановых сплавов // Наукоемкие технологии. 2015. Т. 16. № 7. С. 51-58.
  10. Бураго Н.Г., Никитин И.С., Юшковский П.А. и др. Сверхмногоцикловая усталость при высокочастотных колебаниях диска компрессора ГТД // Вестник кибернетики. 2015. № 2(18). С. 33-40.
  11. Бураго Н.Г., Никитин И.С., Якушев В.Л. Исследование сверхмногоцикловой усталости при высокочастотных колебаниях элементов авиационных конструкций // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (20–24 августа 2015; Казань): Сборник докладов. Казань: Изд-во КФУ, 2015. С. 621-622.
  12. Бураго Н.Г., Никитин А.Д., Никитин И.С. и др. Критерий разрушения при сверхмногоцикловой усталости с определением критической плоскости // X Всероссийская конференция по механике деформируемого твердого тела (18-22 сентября 2017; Самара). Самара: СамГТУ, 2017. Т. 1. С. 95-98. DOI: 10.13140/RG.2.2.31161.26727
  13. Никитин И.С., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Развитие повреждений при сверхмногоцикловой усталости // Вестник ПНИПУ. Механика. 2020. № 4. С. 120-129. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.11
  14. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д. Повреждаемость и усталостное разрушение элементов конструкций в различных режимах циклического нагружения // Прикладная математика и механика. 2022. Т. 86. № 2. С. 276-290. DOI: 10.31857/S0032823522020084
  15. Никитин И.С., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Усталостное разрушение и оценка долговечности элементов авиационных конструкций при комбинированном циклическом нагружении // XIV Международная конференция по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2022; 04-13 сентября 2022; Алушта). М.: Изд-во МАИ, 2022. С. 215-217.
  16. ГОСТ 25.101-83. Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов. М.: Межгосударственный стандарт, 1983. 21 с.
  17. ASTM E1049-85. Standart Practices for Cycle Counting in Fatigue Analysis. ASTM International. 2023.
  18. Haibach E. Betriebsfestigkeit: Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung. Berlin, German: Springer, 2006. 773 p.
  19. Барышева Д.В., Гордон С.В., Ким Н.В. и др. Разработка расчетно-экспериментального подхода к анализу долговечности авиационных конструкций, подверженных воздействию повышенных акустических нагрузок // Всероссийский аэроакустический форум (20-25 сентября 2021; Геленджик): Сборник тезисов. Жуковский: Изд-во ЦАГИ, 2021. С. 217-219.
  20. Бессонов П.С. Программа определения усталостной долговечности металлических конструкций при случайном вибрационно-акустическом нагружении. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2021619411. Бюл. № 6, 09.06.2021. 
  21. Niesłony A., Böhm M., Łagoda T., et al. The Use of Spectral Method for Fatigue Life Assessment for Non-Gaussian Random Loads // Acta Mechanica et Automatica. 2016. Vol. 10. No. 2. pp. 100-103. DOI: 10.1515/ama-2016-0016
  22. Irvine T., Larsen C. Modified Spectral Fatigue Methods for S-N Curves with MIL-HDBK-5J Coefficients // 14th European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Environmental Testing (ECSSMET; 27-30 September 2016; Toulouse, France). Paris : ESA, 2016.
  23. Шульга А.А., Барышева Д.В., Медведский А.Л. Оценка вклада высокочастотной составляющей нагрузки в усталостную повреждаемость металлических конструкций // II Научно-практической конференции аспирантов (27 сентября 2023; Жуковский): Сборник тезисов. Жуковский: Изд-во ЦАГИ, 2023. С. 39-46.
  24. Шульга А.А., Никитин Е.А., Медведский А.Л. Оценка вклада высокочастотной составляющей нагрузки в усталостную повреждаемость авиационных конструкций одномоментным методом // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики: Сборник тезисов IX Всероссийской научно-технической конференции (03-04 октября 2024; Казань). Казань: Изд-во КАИ, 2024. С. 46-48.
  25. Шульга А.А., Никитин Е.А., Медведский А.Л. Сравнительный анализ спектральных методов расчета усталостной повреждаемости элементов конструкции авиационной техники // III Научно-практическая конференция аспирантов (03 декабря 2024; Жуковский): Сборник тезисов. Жуковский: Изд-во ЦАГИ, 2024. С. 110-118.
  26. Mršnik M., Slavič J., Boltežar M. Vibration fatigue using modal decomposition // Mechanical Systems and Signal Processing. 2018. Vol. 98. No. 2, pp. 548-556. DOI: 10.1016/j.ymssp.2017.03.052
  27. Slavič J., Boltežar M., Mršnik M., et al. Vibration Fatigue by Spectral Methods: from Structural Dynamics to Fatigue Damage. Theory and Experiments. Vibration fatigue by spectral methods. Amsterdam: Elsevier, 2020. 230 p.
  28. Zorman A., Slavič J., Boltežar M. Vibration fatigue by spectral methods—A review with open-source support // Mechanical Systems and Signal Processing. 2023. Vol. 190. No. 2, pp. 110-149. DOI: 10.1016/j.ymssp.2023.110149
  29. Бохоева Л.А., Курохтин В.Ю., Перевалов А.В. и др. Испытания элементов конструкций и узлов вертолета на усталостную прочность // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 1. С. 7-16.
  30. Нормы летной годности самолетов транспортной категории НЛГ 25 (Часть 25). М.: Федеральное агентство воздушного транспорта, 2022. 355 с.
  31. Емелин А. Проверка статистических гипотез. URL: http://www.mathprofi.ru/proverka_statisticheskih_gipotez.html
  32. Емелин А. Статистические гипотезы. URL: http://www.mathprofi.ru/statisticheskie_gipotezy.html#gs

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025