NK315 EKSPOATACJA STATKÓW LATAJĄCYCH Procesy degradacyjne i destrukcyjne (c.d.) 1
ZMĘCZENIE ZAKŁAD SAMOLOTÓW I ŚMIGŁOWCÓW obciążenia zmęczeniowe elementów konstrukcyjnych Obciążenia eksploatacyjne którym poddawany jest OT w ogólności są złożonymi procesami stochastycznymi Związane jest to z cechami analizowanego obiektu, oddziaływaniem otoczenia i czynników roboczych zdeterminowane okresowe - sinusoidalne i poliharmoniczne nieokresowe - prawie okresowe i przejściowe stochastyczne stacjonarne niestacjonarne Obciążenia rzeczywiste przenoszone przez konstrukcje modelowane są przy pomocy przebiegów sinusoidalnych W przypadku obliczeń zmęczeniowych stosowane są widma obciążeń otrzymane na podstawie obciążeń stochastycznych, które podlegają opracowaniu odpowiednimi metodami schematyzacji (modelowania, zliczania) 2 Są to metody zliczania: lokalnych ekstremów (pików), rozpiętości gałęzi rosnących i malejących, pełnych cykli, par zakresów, obwiedni i pętli histerezy
s s m s max s 2 min lub m max 2 min s a ; Ds s max s m T smin R s lub min min s s max max 3 R t
1 1 2 0,8 3 0,6 s0,4 i 0,2 s 1 P(s a ) 4 5 6 7 8 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1 S(n i /n c ) sekwencja obciążenia, liczba poziomów obciążeń k, liczby cykli w bloku obciążenia n l 4
R m s max I - quasi statycznej wytrzymałości odpowiadającej, w zależności od cech materiału, liczbom cykli od 1/4 do 10 3 (pękanie quasi statyczne) II - niskocyklowego zmęczenia od 10 3 do 10 5 cykli, III - wysokocyklowego zmęczenia od 10 5 do 10 7 cykli, IV - nieograniczonej trwałości zmęczeniowej powyżej 10 7 cykli Z G I II III IV 5 N
MPa] 400 s a 300 200 100 0 1,00E+05 1,00E+06 N 1,00E+07 Stal 20H w powietrzu PA7 Stal 20H w środowisku korozyjnym 6
s [MPa] 1000 800 1750 cy kli 2 cy kle 1000 cy kli s [MPa] 500 400 600 cykli 800 cykli 1000 cykli 600 300 200 cykli 400 200 1cykl 200 1500 cy kli 100 0-0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8-200 -400-600 -800-1000 [%] 0-0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8-100 -200-300 -400-500 [%] Pętla histerezy dla stali 30HGSA przy stałej wartości ac Pętla histerezy dla stali 45 w stanie znormalizowanym przy stałej wartości ac a) b) c) apl apl apl s a=const. s a=const. an an s a=const. an N N N d) e) f) s apl a=const. pl s apl a=const. a=const. s an N N N 7 s an s an
Step 1 Step 5 Step 15 8
Źródła naprężeń zmiennych w czasie działających na statek powietrzny 1. Siły aerodynamiczne działające na płatowiec (podmuchy, uskoki wiatru, zjawiska aeroelastyczneflutter, buffeting) 2. Lądowania (duże naprężenia, stosunkowo rzadkie) 3. Zespoły napędowe (drgania, zmienność ciągu) 4. Działanie użytkownika (układy sterowania, struktura płatowca) 9
10
Badania wytrzymałości zmęczeniowej konstrukcji lotniczych Na etapie projektowania i konstrukcji próba określajaca spektrum obciążeń (badanie prototypu, przewidywanie na podstawie znanych konstrukcji W czasie eksploatacji określenie spektrum obciążeń (HUMS, EHM, SHM), wyznaczanie ilości odbytych cykli, ocena stanu technicznego metody badań nieniszczących NDT, NDE 11
SPEKTRUM OBCIĄŻEŃ prof. Mirosław Rodzewicz 12
Sumowanie obciążeń Metoda zliczania cykli Metoda spektralna Naprężenia zmienne w jakimś czasie 13 Naprężenia zliczone, np. w całym czasie eksploatacji D. Rozumek Rozwój pęknięć zmęczeniowych
14 prof. Mirosław Rodzewicz
Zmęczenie wysokocyklowe D. Szcześniak, ekspertyza materiałowa 15
Zmęczenie niskocyklowe D. Szcześniak, ekspertyza materiałowa 16
METODY ZABEZPIECZANIA CZĘŚCI LOTNICZYCH PRZED PĘKANIEM ZMĘCZENIOWYM dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych, unikanie karbów i miejsc koncentracji naprężeń, zmniejszanie chropowatości, utwardzanie struktury warstwy wierzchniej materiału np. kulowanie 17
Dobór odpowiednich materiałów: Kurmaz O. Kurmaz L "Projektowanie węzłów i części maszyn", wyd. Politechniki Świętokszyskiej, Kielce 2007 18
Unikanie karbów i koncentracji naprężeń: Na zniszczenie zmęczeniowe narażone są elementy poddane wielokrotnym cyklicznym odciążeniom, w których występuje koncentracja naprężeń takie jak karby, rysy, ostre zmiany przekroju. Zapobieganie zniszczeniu jest realizowane poprzez odpowiednie ukształtowanie, np.: łagodne przejścia, unikanie skokowej zmiany kształtu. Rysunek wykonawczy, Kurmaz O. Kurmaz L "Projektowanie węzłów i części maszyn", wyd.politechniki Świętokszyskiej, Kielce 2007 19
Zmniejszenie chropowatości. ZAKŁAD SAMOLOTÓW I ŚMIGŁOWCÓW Uniknięcie koncentracji naprężeń można uzyskać poprzez zmniejszanie chropowatości, powierzchnia staje się bardziej gładka, przez co zmniejsza się prawdopodobieństwo mikropęknięć w powierzchni. Kurmaz O. Kurmaz L "Projektowanie węzłów i części maszyn", wyd.politechniki Świętokszyskiej, Kielce 2007 20
Procesami korzystnymi oddziaływania na powierzchnię są : nawęglanie gładzenie polerowanie nagniatanie walcowanie Procesami które osłabiają materiał pod względem zmęczeniowym są: hartowanie skrawanie szlifowanie spawanie EDM ECM 21 www.twojeinnowacje.pl, 7/05/2013 http://www.ponarzywiec.com.pl/szlifowanie_walkow, 7/05/2013
KATASTROFY SPOWODOWANE PROCESAMI ZMĘCZENIOWYMI 22
de Havilland DH 106 Comet 23 http://www.flightglobal.com/airspace/blogs/orion/archive/2011/02/15/showingyour-colors.aspx 06/05/2013 20:24
Boeing 737-200 Lot Aloha Airlines 243 24 http://www.oocities.org/capecanaveral/lab/8803/fcogalyp. htm 06/05/2013 19:54
Boeing 737 http://www1.us.elsevierhealth.com/books.els evier/companionsites/jenkinskhanna/mmd/f atigue_text/fatigue_text_1a.html 06/05/2013 21:00 25
IL-62 (14.03.1980) ZAKŁAD SAMOLOTÓW I ŚMIGŁOWCÓW Przyczyna: wada konstrukcyjno-wykonawcza wału silnika, który zawierał karb będący powodem spiętrzenia naprężeń i zmęczenia materiału, w efekcie czego nastąpiło pęknięcie wału silnika. 26 www.polskieradio.pl 06/05/2013 21:33
A. ZAKŁAD SAMOLOTÓW I ŚMIGŁOWCÓW B. WIDOK Z GÓRY MIEJSCE PRZECIĘCIA MECHANIZM STEROWANIA STERAMI KIERUNKU I WYSOKOŚCI C. DUŻA CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI A KARB A-A WADA MATERIAŁU BRAK A PĘKNIĘCIA ZAOKRĄGLEŃ ZMĘCZENIOWEGO 27 OBSZAR OBSZAR DOŁAMANIA
IL-62M (9.05.1987) ZAKŁAD SAMOLOTÓW I ŚMIGŁOWCÓW Przyczyna: urwanie wału turbiny niskiego ciśnienia na skutek zmęczeniowego zużycia łożyska wałeczkowego rozdzielającego wał turbiny wysokiego ciśnienia od wału turbiny niskiego ciśnienia i stanowiącego podporę międzywałową. 28 http://www.metallurgist.com/html/metalfatigue.htm 06/05/2013 20:28
Boeing 747-122 http://www.gophoto.us/key/united%20811 06/05/2013 20:29 29
WNIOSKI Wytrzymałość zmęczeniowa jest ważnym zagadnieniem w budowie maszyn poddawanych obciążeniom zmiennym. Zmęczenie może prowadzić do groźnych uszkodzeń i katastrof Pęknięcia zmęczeniowe są często trudne do zaobserwowania przed wystąpieniem poważnego uszkodzenia Zagadnienia wytrzymałości zmęczeniowej są trudne do opracowania teoretycznego. Większość wiedzy pochodzi z badań doświadczalnych 30