книги / Статическая выносливость элементов авиационных конструкций

произведен наклеп; (W]— разрушающее число циклов образцов, испытанных после наклепа, а N — без наклепа. Кривые, отме­ ченные знаком плюс представляют результаты испытаний образ­ цов, наклепанных растяжением, а кривые, отмеченные знаком минус — сжатием.

Коэффициенты К==— - , при которых проводились испы­

тания до разрушения, приведены на рис. 109. Из данных, при­ веденных на рис. 109 и ПО, следует, что наклеп растяжением упрочняет, а наклеп сжатием разупрочняет образец с концентра­ цией напряжений при повторном симметричном изгибе с вра­ щением.

отношение разрушающих чисел циклов образцов из сплава Д16-Т после наклепа растяжением и сжатием достигает

2. ЗАПОЛНЕНИЕ ОТВЕРСТИЯ

Осевое нагружение

Вэлементах конструкций часто делаются круглые отверстия

водних случаях для облегчения конструкции, в других — для постановки заклепок или болтов, скрепляющих элементы между собой.’ В первом случае отверстие остается незаполненным, во

втором— оно заполняется ци­ линдрическим элементом с не­ которым радиальным натягом. Степень радиального натяга зависит от типа заполняющего элемента и специальных требо­ ваний к условиям заполнения.

Наиболее простым является случай заполнения отверстия цилиндрическим стержнем того же диаметра, что и отверстие. Эффект заполнения отверстия заключается во влиянии его на степень овализации отверстия и в создании радиального рас­ пора q (рис. 111), если запол­ нитель поставлен с радиаль­

ным натягом. Такой эффект может вызвать заклепка, поставлен­ ная в отверстие. При расклепывании замыкающей головки тело заклепки плотно прижимается к боковой поверхности отверстия.

112

Сминая эту поверхность, оно в то же время упруго расклинивает отверстие и действует, как равномерное внутреннее давление. Напряжения в поперечном сечении полосы при этом распреде­ ляются по кривой, схматически показанной на рис. 111. До при­ ложения к полосе внешней растягивающей нагрузки радиальное давление от тела заклепки на стенку отверстия равномерное. Но по мере увеличения нагрузки, растягивающей полосу, это давле­ ние снижается в продольном направлении полосы и увеличивает­ ся в поперечном.

Вопросу распределения напряжений в растянутой полосе с отверстием посвящено много работ. Но в большинстве этих работ рассматривается или нагружение в пределах упругости, или в случае пластических деформаций — однократное нагру­ жение. При многократном повторении нагружения, когда поло­ са доводится до разрушения, условия работы полосы вблизи отверстия изменяются, и критерий ее прочности при этих услови­ ях устанавливают из иных соображений.

Для выяснения влияния заполнителя отверстия на статиче­ скую выносливость полосы были испытаны образцы из листового дуралюмина Д16-Т толщиной 2 мм с временным сопротивлением а„=48 кГ/мм2 и 6=18%. Испытания были проведены на пло­ ских образцах шириной 30 мм с отверстием 5 мм на пульсирую­ щее растяжение при коэффициенте /(=0,7 с частотой повторе­ ния нагрузки /г= 10 цикл!мин. На полосе с незаполненным отвер­ стием из четырех испытаний (6580, 8370, 6126 и 8160 циклов) получено среднее разрушающее число циклов ЭД>,7=7300. Но­ минальное напряжение в ослабленном сечении при разрыве по­ лосы однократной нагрузкой сгРазр=43,3 кГ(мм2, что дает ослаб­ ление отверстием на 10,2%.

На рис. 112 приведен образец с двумя предохранительными прокладками под головками заклепки, заполняющей отверстие.. Дуралюминовые заклепки диаметром 5 мм были поставлены в состаренном после термообработки состоянии (т. е. в закален­ ном). При испытании на пульсирующее растяжение эти образцы дали при разрушении 61600, 81030 и 56750 циклов при среднем числе 66460. Из трех образцов один^разрушился не по отверстию,

а по целому сечению. Отношение =9,1 показывает девяти­

кратное увеличение разрушающего числа циклов по сравнению с числом циклов образцов с незаполненным отверстием.

Для выяснения влияния величины радиального распора бы­ ли испытаны две серии образцов с заполненным отверстием. В одной серии заклепки были дуралюминовые свежезакаленные, несостаренные (мягкие во время клепки). В другой серии за­ клепки были стальные (ЗОХГСА) с временным сопротивлением ств = 60 кГ/мм2. Первая серия образцов показала среднее число циклов при разрушении N0,7 = 27330 (при значениях N отдельных образцов 24660, 24690, 37030 и 22960 циклов). Вторая серия —

113

показала среднее yv0,7= 75830 циклов (при значениях N отдель­ ных образцов 67790, 86570 и 73140 циклов).

Все образцы первой серии разрушились по отверстию, а вто­ рой-— по целому месту, т. е. ослабление полосы отверстием при помощи стальной заклепки ликвидировано полностью и полоса разрушается по целому месту. Дуралюминовая мягкая заклепка хотя и дает значительное повышение прочности по сравнению с прочностью полосы с незаполненным отверстием, но не может дать столь значительного упругого распора, как стальная за­ клепка, и поэтому меньше повышает прочность полосы.

Рис. 112. Образец с отверстием, заполненным.за­ клепкой с двумя прокладками

В результате этих испытаний возник вопрос о том, какую роль в прочности полосы с заполненным отверстием может иг­ рать наклеп поверхности отверстия, получающийся при раскле­ пывании головки заклепки.

Для решения этого вопроса была испытана серия образцов, которые вначале были изготовлены так же, как и образцы, опи­ санные выше, но затем заклепки из них были удалены. Получи­ лась полоса с незаполненным отверстием, стенки которого имели тот же наклеп, что и в образцах с заклепками. Одна серия образцов была изготовлена с дуралюминовыми свежезакаленными (мягкими) заклепками, а другая — с дуралюминовыми состаренными (жесткими) заклепками. Первая серия дала сред­ нее разрушающее число N=5760 циклов, а вторая — 7750. Сопо­ ставление этих результатов указывает на небольшое влияние на­ клепа стенки отверстия на выносливость полосы. Влияние ради­ ального упругого распора во много раз превышает влияние на­ клепа.

По результатам испытаний полос с заполненным отверстием можно было предполагать, что прочность полосы в заклепочном шве должна быть тоже значительно выше прочности полосы с незаполненным отверстием. Для проверки этого предположе­ ния были испытаны две серии образцов: в виде односрезного шва (внахлестку) (рис. 113), и в виде двухсрезного шва (рис. 114). В обоих случаях выбрано такое число заклепок, чтобы при дей­

114

ствии растягиющей силы слабейшим элементом шва была поло­ са. Заклепки из сплава Д16 ставились в свежезакаленном виде (мягкие) с последующим естественным старением. Односрезный шов дал среднее значение разрушающего числа циклов /V=5420 (при частных значениях результатов отдельных испытаний 5870, 4770, 5880 и 5660), а двухсрезный — N=4280 циклов (при част­ ных значениях 4620, 4350, 4000 и 4160).

Рис. 113. Образец с односрезным рядом заклепок внахлестку

Эти результаты представляют большой интерес, так как ока­ залось, что прочность полосы заклепочного шва не только зна­ чительно ниже прочности полосы с заполненным отверстием, но даже ниже прочности полосы с незаполненным отверстием. Кроме того, полоса в односрезном шве оказалась прочнее поло­ сы в двухсрезном шве, что на первый взгляд кажется малове­ роятным.

ф -0- ф ф ф

Рис. 114. Образец с двухрезным рядом заклепок

Для объяснения полученных результатов можно привести следующие соображения. Прежде всего несомненно, что роль за­ клепки, поставленной в полосу только для заполнения отвер­ стия, совершенно отлична от роли заклепки в заклепочном шве, соединяющем две полосы. В первом случае тело заклепки не при­ нимает никакого участия в передаче внешнего силового потока, деформирующего полосу в целом. Заклепка, поставленная в от­ верстие полосы с натягом, вызывает упруго-пластическое сжа­ тие материала иа боковой поверхности отверстия, которое, буду­ чи вначале равномерным по контуру отверстия перераспреде­ ляется с увеличением внешней нагрузки. Из сопоставления одно­ срезного и двухсрезного заклепочных швов (см. рис. 113 и 114)

115

строить кривые выносливости с указанием схем испытанных об­ разцов.

Кривая выносливости односрезного 1 шва располагается выше, чем кривая односрезного 2 шва с прокладками. Кривая двух­ срезного 3 шва выражает наимень­ шую статическую выносливость.

Таким образом, в этой серии ис­ пытаний подтверждается уже отме­ ченное выше понижение выносливо­ сти полосы в двухсрезном шве по сравнению с ее выносливостью в односрезном шве. Сложность зако­ на распределения напряжений в по­ лосе заклепочного шва в районе от­ верстия, заполненного заклепкой, при повторных нагрузках подтверж­ дается еще и тем, что разрыв поло­ сы в шве в отличие от разрыва про­ стой полосы с незаполненным от­ верстием происходит не по диамет­ ральному сечению через центр отверстия, а по сечению АВСД, за­ метно смещенному по оси полосы от сечения EJF, проходящего через

центр отверстия (рис. 118). При действии же однократной ста­ тической нагрузки во всех описанных в настоящей работе об­ разцах разрушение происходило по плоскости EJF.

Для удобства сравнения результаты всех испытаний, кроме испытания образцов последних трех серий, приведены в табл. 21.

117

при однократной и повторных нагрузках. В то время как при испытании однократной нагрузкой до разрушения не улавлива­ ется никакого различия (по статической прочности) между об­ разцами разных серий, при испытании на повторные нагрузки это различие выступает очень резко: количественные результаты испытаний образцов различных серий отличаются друг от друга

радиального распора, создаваемого заклепкой на статическую выносливость полосы было проведено испытание на пульсирую­ щее растяжение полос с отверстием диаметром 20 мм, выполнен­ ных из сплава В95 (ав=53 кГ/лш2, 6=12,5%) толщиной 10 мм и шириной 100 мм. Различный радиальный натяг конструктивно осуществлялся при помощи стальной разрезной втулки наруж­ ным диаметром 20 мм с коническим внутренним отверстием, в которое вставлялась коническая пробка. На одном конце пробки была нарезана винтовая нарезка (рис. 119). Разрезная втулка с пробкой, вставленная в отверстие полосы, могла быть затянута гайкой и опорной шайбой до желаемого радиального натяга между пробкой и стенкой отверстия. Испытания проводились до разрушения полос как с незаполненным отверстием, так и с заполнением его пробкой, поставленной с разным натягом. Сте­ пень затяжки пробки измерялась углом поворота гайки ф, от­

119

считываемым от положения гайки, завернутой до соприкоснове­ ния ее торца с торцом шайбы, но без затяжки. Такой сравнитель­ но грубый метод измерения степени затяжки пробки все же позволил определить характер искомой зависимости статической выносливости полосы от степени затяжки пробки.

Результаты описанных испытаний приведены на рис. 119, где по оси абсцисс отложены углы поворота гайки при затяжке пробки <р°, а по оси ординат — отношения N* /N0, где N 9 — раз­ рушающее число циклов пульсирующей нагрузки полосы с проб­

Изгиб стальных балок

Изучение влияния на выносливость консольной балки различ­ ных вариантов заполнения отверстий проводилось при различ­ ном структурном состоянии поясов балки *. Балка состояла из двух стальных поясов (ЗОХГСА) и двойной дуралюмииовой пло­ ской стенки, которая соединяла пояса при помощи болтов и за-

я-д

Рис. 120. Проушина стального попса балки

клепок. В корневой части пояса заканчивались проушинами (рис. 120), которыми балка могла крепиться к ответным узлам. На другом конце балка заканчивалась стальным башмаком, к которому прикладывалась сосредоточенная нагрузка, перпенди­ кулярная оси балки. Пояса балки термически обрабатывались до значений временного сопротивления crD= 120 и 170 кГ(мм2. В полках поясов сверлились отверстия диаметром 5 мм под за­ клепки, закладная головка которых была с внешней, а расклепы­ ваемая — с внутренней стороны пояса.

120