книги / Статическая выносливость элементов авиационных конструкций

ПРЕДИСЛОВИЕ

Статической выносливостью конструкций называется их прочность при многократно повторяющихся статических нагруз­ ках. Эти нагрузки по величине и направлению известны конст­ руктору еще в процессе проектирования и являются совершенно безопасными для конструкции, пока они повторяются небольшое число раз. При многократном же повторении (тысячи и десятки тысяч раз) эти нагрузки при некоторых условиях могут разру­ шить конструкцию, хотя по величине они значительно меньше тех, которые являются разрушающими при однократном их при­ ложении. По плавности и малой скорости изменения (частота в пределах 60 циклов в минуту) эти нагрузки можно считать ста­ тическими. Разрушение конструкций от их действия имеет ти­ пично усталостный характер с разделением поверхности разру­ шения на две зоны: зону постепенно нараставшей усталостной трещины со следами хрупкого разрушения и зону со следами пластических деформаций, образовавшихся главным образом за время последнего цикла нагрузки. Статический характер дей­ ствия нагрузок и усталостный характер разрушения конструк­ ций являются основными признаками, выражающими содержа­ ние термина «статическая выносливость конструкции».

Этот вид прочности отличается как от статической прочности при однократной нагрузке, так и от динамической выносливости при вибрационной нагрузке. Основным признаком статической выносливости является низкая частота повторения нагрузки, влияние которой на количественную характеристику выносливо­ сти рассматривается в настоящей книге.

При написании книги автор стремился обратить внимание инженеров-машиностроителей разных специальностей на необ­ ходимость учета влияния многократной повторяемости медленно меняющихся эксплуатационных нагрузок на прочность детали работающей машины.

Кроме того, автор имел целью предостеречь экспериментато- ров-прочнистов от некоторых ошибок при проведении прочност­ ных испытаний, особенно на выносливость. Многолетней прак­ тикой ведения экспериментальных работ накоплено много при­ меров неудачных экспериментов в результате неправильной ме­

3

ВВЕДЕНИЕ

Развитие в СССР научно-исследовательских работ по уста­ лости конструкций в машиностроении вообще и в частности в самолетостроении стало возможным после создания широкой сети соответствующих лабораторий, оборудованных современ­ ными испытательными машинами и новейшей аппаратурой.

Круг советских исследователей в области усталости материа­ лов и конструкций представлен многими именами, как, напри­ мер, Н. Н. Давиденков, С. В. Серенсен, И. А. Одинг, Н. П. Ща­ пов, Г. В. Ужик, И. В. Кудрявцев, Я. Б. Фридман, С. И. Ратнер, В. С. Иванова и многие другие.

Все разнообразие типов, моделей и марок машин, которое выпускает современная машиностроительная промышленность для самых различных целей, объединяется по одному призна­ ку — каждая машина в условиях эксплуатации за срок службы много раз повторяет определенный цикл работ. При этом в де­ талях всякой работающей машины возникают многократно по­ вторяющиеся нагрузки, величина и направление которых извест­ ны. Напряженность, вызываемая этими нагрузками, зависит от запасов прочности, принятых при проектировании машины. Ве­ личина же запаса прочности выбирается в зависимости от назна­ чения машины и условий ее эксплуатации.

В особых условиях по запасу прочности оказываются маши­ ны, в которых требование минимального веса конструкции вы­ нуждает принимать минимальные запасы прочности. В таком положении находятся все виды транспортных машин: автомоби­ ли, речныё и морские суда, самоходные механизмы, транспорт­ но-грузоподъемные механизмы. В особенно трудном положении оказываются летательные аппараты, в частности самолеты, в ко­ торых весовая характеристика конструкции является решающей.

Прочностные требования, предъявлявшиеся к самолетам пе­ ред второй мировой войной, сводились к получению удовлетво­ рительных результатов при двух видах испытаний: при статиче­ ском испытании на разрушение однократной нагрузкой и при вибрационных испытаниях на выносливость в местах возникно­ вения при эксплуатации вибрационных режимов нагружения. Самолет, выдержавший o6ia эти испытания, признавался доста­ точно прочным и в условиях эксплуатации.

5

объема, не может быть использована в полной мере при рас­ смотрении проблемы выносливости. Если исходить из представ­ лений континуума, то не удается объяснить те явления, в том числе и явление разрушения, которые происходят при много­ кратном приложении нагрузки.

Объяснения этих явлений и процессов основываются на пред­ ставлениях о реальном сплаве как теле кристаллического строе­ ния, состоящем из множества кристаллов, связанных в одно це­ лое через межкристаллитную прослойку. Такое отвечающее дей­ ствительности представление о реальном сплаве чрезвычайно за­ трудняет применение расчетно-аналитических методов для изу­ чения закономерностей, которым подчиняются явления и про­ цессы при повторных нагрузках.

Выявление этих закономерностей в натурных конструкциях осложняется еще и тем, что любой конструктивный элемент имеет какой-нибудь концентратор напряжений (отверстие, свар­ ной шов, резкий переход в размерах и форме, винтовую нарезку п т. д.), который усложняет картину распределения напряжений в расчетном сечении. Поэтому широко поставленный и система­ тически ведущийся эксперимент является основным методом изу­ чения проблемы прочности при повторных нагрузках. А это на­ кладывает большую ответственность на экспериментатора, от которого зависят как степень достоверности результатов экспе­ римента и всех последующих выводов из них, так и надеж­ ность полученных закономерностей.

Основными причинами появления ошибок и искажений ре­ зультатов эксперимента являются, с одной стороны, отсутствие

вующего руководства и контроля. Результаты проведенного та­ ким образом эксперимента могут содержать ошибки и искаже­ ния, обнаружение которых в большинстве случаев окажется невозможным.

Исследования выносливости в машиностроении на базе экс­ периментальных данных могут вестись в двух основных направ­ лениях: по пределу выносливости и по ограниченному сроку службы конструкции. Поиск решения на базе предела выносли­ вости применяется в том случае, когда рассчитываемая деталь машины должна работать неограниченно долго. В этом случае напряжение в расчетном сечении детали допускается ниже пре­

дела выносливости.

В конструкциях с ограниченным сроком службы, в частно­ сти авиационных, в расчетном сечении допускается напряжение, значительно превышающее предел выносливости. Оно выбирает­ ся таким образом, чтобы соответствующее ему разрушающее число циклов нагрузки согласовалось с предполагаемым ограни­ ченным сроком службы конструкции.

7

Для выражения ограниченного срока службы испытываемого на выносливость образца часто пользуются термином «долго­ вечность», который, строго говоря, является только временной характеристикой.

Для характеристики ограниченной выносливости конструк­ ции вместо термина «долговечность» правильнее применять тер­ мин «срок службы», который, выражает длительность работы конструкции, а не календарный срок ее существования. При этом предполагается, что конструкция хранится в неработающем состоянии, без ущерба для ее прочности. Если же это условие не обеспечивается, то должна быть соответствующая поправка на срок службы.

Явления и процессы, происходящие в расчетных сечениях конструктивных элементов при многократно повторяющихся на­ грузках, описываются в предлагаемой книге в. механическом аспекте, как схема, построенная на базе элементарных представ­ лений о зарождении и развитии пластической деформации без расшифровки физической сущности полос сдвига, образующихся при этой деформации.

Приводимые в книге экспериментальные данные представля­ ют их средние значения, полученные из непосредственного экс­ перимента после их элементарной обработки по суммированию и вычислению средних величин.

Ниже приведена применяемая в книге терминология, в кото­ рой каждый термин сопровождается его определением.

Для нагрузок, имеющих различные направления, применяет­ ся общепринятая условность: растягивающие нагрузки считают­ ся положительными (+ ), сжимающие — отрицательными (—).

14 Наклеп Изменение свойств и состояния ма­ териала, вызванное пластической де­ формацией

9

10