zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2023-89-11-71-88zldm-2062Research ArticleМЕХАНИКА МАТЕРИАЛА: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬMATERIALS MECHANICS: STRENGTH, DURABILITY, SAFETYПоля остаточных напряжений в окрестности свободных монтажных отверстий панели крыла самолетаFields of residual stresses near open assemblage holes of aircraft wing panelЕлеонскийС. И.EleonskyS. I.

Святослав Игоревич Елеонский

140180, г. Жуковский, ул. Жуковского, д. 1

Svyatoslav I. Eleonsky

1, Zhukovskogo ul., Zhukovsky, 140180

ЗайцевМ. Д.ZaitsevM. D.

Михаил Дмитриевич Зайцев

140180, г. Жуковский, ул. Жуковского, д. 1

Mikhail D. Zaitsev

1, Zhukovskogo ul., Zhukovsky, 140180

МатвиенкоЮ. Г.MatvienkoY. G.

Юрий Григорьевич Матвиенко

101000, Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4

Yury G. Matvienko

4, Maly Kharitonyevsky per., Moscow, 101000

ПисаревВ. С.PisarevV. S.

Владимир Сергеевич Писарев

140180, г. Жуковский, ул. Жуковского, д. 1

Vladimir S. Pisarev

1, Zhukovskogo ul., Zhukovsky, 140180

VSP5335@mail.ruЦентральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. ЖуковскогоРоссияN. E. Zhukovsky Central AeroHydrodynamics InstituteRussian FederationИнститут машиноведения им. А. А. Благонравова РАНРоссияMechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of ScienceRussian Federation20232111202389117188Copyright © Елеонский С.И., Зайцев М.Д., Матвиенко Ю.Г., Писарев В.С., 20232023Елеонский С.И., Зайцев М.Д., Матвиенко Ю.Г., Писарев В.С.Eleonsky S.I., Zaitsev M.D., Matvienko Y.G., Pisarev V.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2062

Исследованы результаты испытаний на усталостную прочность двух геометрически одинаковых конструктивно-подобных моделей нижней панели крыла коммерческого самолета. Панели отличались способом установки монтажных болтов, соединяющих обшивку и стрингер. В первой панели выполнено холодное упрочнение отверстий в обшивке и стрингере перед их монтажом. Во второй панели после сверления и развертывания дополнительную обработку отверстий не применяли. Установку болтов проводили с натягом, который варьировали от 1,3 до 2,1 % для первой панели и от 2,9 до 3,2 % — для второй. Вариации в значениях натяга — следствие разброса, вызванного наличием поля допуска на диаметры как болтов, так и монтажных отверстий. Двухэтапное сравнение обеих технологий проведено на основе экспериментальных исследований полей остаточных напряжений. Первый этап, представленный в данной работе, включал анализ величин компонент остаточных напряжений в окрестности монтажных отверстий после удаления болтов и отделения обшивки от стрингера. Для определения компонент остаточных напряжений использовали метод сверления отверстия и метод последовательного наращивания длины трещины. Деформационный отклик измеряли методом электронной спекл-интерферометрии. Для обоих способов локального удаления материала получены наборы интерферограмм высокого качества, которые обеспечивали надежное разрешение интерференционных полос предельной плотности непосредственно на контуре зондирующего отверстия или на берегах искусственного надреза. Дискретный метод, основанный на сверлении зондирующего отверстия, позволил количественно определить компоненты остаточных напряжений, начиная с расстояния 1,4 мм от контура монтажного отверстия. Другой непрерывный метод основан на последовательном наращивании длины искусственного надреза, начиная непосредственно от контура монтажного отверстия. Такой подход обеспечил анализ полей остаточных напряжений, относящихся к двум технологиям установки болтов, путем сравнения величин КИН. Отмечен высокий уровень сжимающих остаточных напряжений в окрестности свободных отверстий для панелей обоих типов. Оба экспериментальных подхода выявили преимущества соединения с болтами, установленными в упрочненное отверстие. Для этого случая представлена оценка параметров релаксации главной компоненты остаточных напряжений в направлении внешней нагрузки.

The results of fatigue tests of two geometrically identical and similar in design models of the lower wing panel of a commercial aircraft are were analyzed. The panels differed in the way of installing mounting bolts, which connect the skin and stringers. Cold expansion of holes drilled both in the skin and stringer has been performed for the first panel before joining. The second panel includes no additional treatment after drilling pilot holes and final reaming. Bolts are mounted with an interference fit varying from 1.3 to 2.1% and from 2.9 to 3.2% for the first and the second panel, respectively. Changes in the interference fit are the consequence of a scatter attributed to the presence of a tolerance zone for the diameters of both bolts and mounting holes. A two-step comparison of both technologies is based on the experimental study of residual stress fields. The first stage, being a subject of the present study, includes the analysis of residual stress fields, which arise after removing bolts and separation of skin from stringers. Hole drilling and gradual crack growth were used to determine the components of residual stresses. Deformation response is measured by electronic speckle-pattern interferometry. High quality interferograms, which provide a reliable resolution of the interference fringes of ultimate density over the hole edge or directly along the notch borders, have been obtained for both ways of local removing the material. The first point-wise method based on drilling a probe hole, provides a quantitative determination of the residual stress components, starting from 1.4 mm distance from the assemblage hole edge. The second technique implements the crack compliance method of subsequent lengthening of the notch, starting directly from the mounting hole edge. This approach provides for a quantitative analysis of residual stress fields, related to different bolt mounting technologies, proceeding from the comparison of SIF values. A high level of compressive residual stresses near open holes is characteristic for both types of panels. Both experimental approaches showed the benefits of joints, where bolts are mounted into cold-expanded (reinforced) holes. For this case, the estimation of the relaxation parameters of the principal component of residual stresses in the direction of the external load is presented.

конструктивно-подобная модельболтовые соединенияостаточные напряженияметод сверления отверстияметод последовательного наращивания длины трещиныэлектронная спекл-интерферометрияdesign-similar modelbolted jointsresidual stresshole drilling techniquecrack compliance methodelectronic speckle-pattern interferometryReferencesВоробьев А. З., Олькин Б. И., Стебенев В. Н., Родченко Т. С. Сопротивление усталости элементов конструкций. — М.: Машиностроение, 1990. — 240 с.Vorobiev A. Z., Olkin B. I., Stebenev V. N., Rodchenko T. S. Fatigue resistance of structural elements. — Moscow: Mashinostroenie, 1990. — 240 p. [in Russian].Ярковец А. И., Сироткин О. С., Фирсов В. А., Киселев Н. М. Технология выполнения высокоресурсных соединений в конструкциях самолетов. — М.: Машиностоение, 1987. — 192 с.Yarkovets A. I., Sirotkin O. S., Firsov V. A., Kiselev N. M. Manufacturing technology for high fatigue life rivet and bolt joints in aircraft structures. — Moscow: Mashinostroenie, 1987. — 192 p. [in Russian].Белов В. К., Калюта А. А., Рудзей Г. Ф. Обеспечение усталостной долговечности авиационных конструкций технологическими методами. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. — 404 с.Belov V. K., Kaliuta A. A., Rudzey G. F. The provision of fatigue durability of aircraft structures by technology means. — Novosibirsk: NGTU Editory, 2012. — 404 p. [in Russian].Брондз Л. Д. Технология и обеспечение ресурса самолетов. — М.: Машиностроение, 1986. — 184 с.Brondz L. D. The technology and provision of aircraft fatigue life. — Moscow: Mashinostroenie, 1986. — 184 p. [in Russian].Когаев В. П. Расчет на прочность при напряжениях переменных во времени. — М.: Машиностроение, 1993. — 354 с.Kogaev V. P. Quantitative strength analysis under in-time variable stresses. — Moscow: Mashinostroenie, 1993. — 354 p. [in Russian].Schajer G. S., Prime M. B., Withers P. J. Why Is It So Challenging to Measure Residual Stresses? / Experimental Mechanics. 2022. V. 62. P. 1521 – 1530. DOI: 10.1007/s11340-022-00879-xSchajer G. S., Prime M. B., Withers P. J. Why Is It So Challenging to Measure Residual Stresses? / Experimental Mechanics. 2022. V. 62. P. 1521 – 1530. DOI: 10.1007/s11340-022-00879-xBeghini M., Grossi1 T., Prime M. B., Santus C. Ill-Posedness and the Bias-Variance Tradeoff in Residual Stress Measurement Inverse Solutions / Experimental Mechanics 2023. V. 63. P. 495 – 516. DOI: 10.1007/s11340-022-00928-5Beghini M., Grossi1 T., Prime M. B., Santus C. Ill-Posedness and the Bias-Variance Tradeoff in Residual Stress Measurement Inverse Solutions / Experimental Mechanics 2023. V. 63. P. 495 – 516. DOI: 10.1007/s11340-022-00928-5Chiang F.-P. Moiré and speckle methods applied to elastic-plastic fracture studies. — In: Experimental Techniques in Fracture mechanics, 3rd edition / Edited by J. S. Epstein. — NY: VCH, 1993. P. 291 – 325.Chiang F.-P. Moiré and speckle methods applied to elastic-plastic fracture studies. — In: Experimental Techniques in Fracture mechanics, 3rd edition / Edited by J. S. Epstein. — NY: VCH, 1993. P. 291 – 325.Post D., Han B., Ifju P. High Sensitivity Moiré. Exp. Analysis for Mech. and Mat. — Berlin: Springer Verlag, 1994. — 444 p.Post D., Han B., Ifju P. High Sensitivity Moiré. Exp. Analysis for Mech. and Mat. — Berlin: Springer Verlag, 1994. — 444 p.Shchepinov V. P., Pisarev V. S., Novikov S. A., et al. Strain and Stress Analysis by Holographic and Speckle Interferometry. — Chichester: John Wiley, 1996. — 483 p.Shchepinov V. P., Pisarev V. S., Novikov S. A., et al. Strain and Stress Analysis by Holographic and Speckle Interferometry. — Chichester: John Wiley, 1996. — 483 p.Pisarev V. S., Odintsev I. N., Eleonsky S. I., Apalkov A. A. Residual stress determination by optical interferometric measurements of hole diameter increments / Optics and Lasers in Engineering. 2018. V. 110. P. 437 – 456. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2018.06.022Pisarev V. S., Odintsev I. N., Eleonsky S. I., Apalkov A. A. Residual stress determination by optical interferometric measurements of hole diameter increments / Optics and Lasers in Engineering. 2018. V. 110. P. 437 – 456. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2018.06.022Апальков А. А., Одинцев И. Н., Разумовский И. А. Метод измерения остаточных напряжений в массивных элементах конструкций с использованием электронной спекл-интерферометрии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2003. Т. 69. № 2. С. 45 – 49.Apalkov A. A., Odintsev I. N., Razumovsky I. A. The method of residual stress measurement in massive structural elements by using electronic speckle-pattern interferometry / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2003. V. 69. N 5. P. 45 – 49 [in Russian].Разумовский И. А. Интерференционно-оптические методы механики деформируемого твердого тела. — М.: Изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. —240 с.Razumovsky I. A. Optical-interferometric methods of mechanics of deformable solid body. — Moscow: Izd. MGTU im. N. É. Baumana, 2007. — 240 p. [in Russian].Hagara M., Trebuňa F., Pastor M., Huňady R., Lengvarsky P. Analysis of the aspects of residual stresses quantification performed by 3D DIC combined with standardized hole-drilling method. 2019. Measurement. V. 137. P. 238 – 256. DOI: 10.1016/j.measurement.2019.01.028Hagara M., Trebuňa F., Pastor M., Huňady R., Lengvarsky P. Analysis of the aspects of residual stresses quantification performed by 3D DIC combined with standardized hole-drilling method. 2019. Measurement. V. 137. P. 238 – 256. DOI: 10.1016/j.measurement.2019.01.028Peng Y., Zhao J., Chen L. S., Dong J. Residual stress measurement combining blind-hole drilling and digital image correlation approach / J. Constr. Steel Res. 2021. V. 176. 106346.Peng Y., Zhao J., Chen L. S., Dong J. Residual stress measurement combining blind-hole drilling and digital image correlation approach / J. Constr. Steel Res. 2021. V. 176. 106346.Murata Y., Sasaki T., Yoshida S. Stress Dependence on Relaxation of Deformation Induced by Laser Spot Heating / Materials. 2022. V. 15. 6330. DOI: 10.3390/ma15186330Murata Y., Sasaki T., Yoshida S. Stress Dependence on Relaxation of Deformation Induced by Laser Spot Heating / Materials. 2022. V. 15. 6330. DOI: 10.3390/ma15186330Matvienko Y. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. Residual stress/strain evolution due to low-cycle fatigue by removing local material volume and optical interferometric data / Fat. & Fract. of Eng. Mat. & Structures. 2019. V. 42. P. 2061 – 2078. DOI: 10.1111/ffe.13083Matvienko Y. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. Residual stress/strain evolution due to low-cycle fatigue by removing local material volume and optical interferometric data / Fat. & Fract. of Eng. Mat. & Structures. 2019. V. 42. P. 2061 – 2078. DOI: 10.1111/ffe.13083Pisarev V. S., Matvienko Y. G., Eleonsky S. I., Odintsev I. N. Combining the crack compliance method and speckle interferometry data for determination of stress intensity factors and T-stresses / Engineering Fracture Mechanics. 2017. V. 179. P. 348 – 374. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2017.04.029Pisarev V. S., Matvienko Y. G., Eleonsky S. I., Odintsev I. N. Combining the crack compliance method and speckle interferometry data for determination of stress intensity factors and T-stresses / Engineering Fracture Mechanics. 2017. V. 179. P. 348 – 374. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2017.04.029Елеонский С. И., Матвиенко Ю. Г., Писарев В. С., Чернов А. В. Эволюция параметров механики разрушения при малоцикловой усталости по данным моделирования трещины узкими надрезами в окрестности отверстия / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 9. С. 52 – 62. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-9-52-62Eleonsky S. I., Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Chernov A. V. Evolution of the fracture mechanics parameters in the vicinity of the hole in conditions of low-cycle fatigue according to the data of modeling a crack with narrow notches / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2020. V. 86. N 9. P. 52 – 62 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-9-52-62Елеонский С. И., Матвиенко Ю. Г., Писарев В. С., Чернов А. В. Исследование накопления повреждений при малоцикловой усталости по данным измерений локального деформационного отклика / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. ¹ 10. С. 46 – 55. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-10-46-55Eleonsky S. I., Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Chernov A. V. Damage accumulation near a hole under low cycle fatigue proceeding from measurements of local deformation response / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2020. V. 86. N 10. P. 46 – 55 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-10-46-55Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. Evolution of fracture mechanics parameters relevant to narrow notch increment as a measure of fatigue damage accumulation / International Journal of Fatigue. 2021 Vol. 149. 106310. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106310Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. Evolution of fracture mechanics parameters relevant to narrow notch increment as a measure of fatigue damage accumulation / International Journal of Fatigue. 2021 Vol. 149. 106310. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106310Chernov A. V., Eleonsky S. I., Pisarev V. S. Influence of stress ratio on residual stress evolution near cold-expanded hole due to low-cycle fatigue by crack compliance data / Frattura ed Integrità Strutturale. 2021. V. 55. P. 174 – 186. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.55.13Chernov A. V., Eleonsky S. I., Pisarev V. S. Influence of stress ratio on residual stress evolution near cold-expanded hole due to low-cycle fatigue by crack compliance data / Frattura ed Integrità Strutturale. 2021. V. 55. P. 174 – 186. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.55.13Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. Low-cycle fatigue damage accumulation near the cold-expanded hole by crack compliance data / International Journal of Fatigue. 2022. V. 155. 106590. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106590Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. Low-cycle fatigue damage accumulation near the cold-expanded hole by crack compliance data / International Journal of Fatigue. 2022. V. 155. 106590. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106590Eleonsky S. I., Pisarev V. S., Zajtsev D. M., et al. Residual stresses near cold-expanded hole at different stages of high-cycle fatigue by crack compliance data / Frattura ed Integrità Strutturale. 2021. V. 56. P. 171 – 186. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.56. 14Eleonsky S. I., Pisarev V. S., Zajtsev D. M., et al. Residual stresses near cold-expanded hole at different stages of high-cycle fatigue by crack compliance data / Frattura ed Integrità Strutturale. 2021. V. 56. P. 171 – 186. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.56.14

The authors declare that there are no conflicts of interest present.