Поля остаточных напряжений в окрестности свободных монтажных отверстий панели крыла самолета

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.

1. Воробьев А. З., Олькин Б. И., Стебенев В. Н., Родченко Т. С. Сопротивление усталости элементов конструкций. — М.: Машиностроение, 1990. — 240 с.

2. Ярковец А. И., Сироткин О. С., Фирсов В. А., Киселев Н. М. Технология выполнения высокоресурсных соединений в конструкциях самолетов. — М.: Машиностоение, 1987. — 192 с.

3. Белов В. К., Калюта А. А., Рудзей Г. Ф. Обеспечение усталостной долговечности авиационных конструкций технологическими методами. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. — 404 с.

4. Брондз Л. Д. Технология и обеспечение ресурса самолетов. — М.: Машиностроение, 1986. — 184 с.

5. Когаев В. П. Расчет на прочность при напряжениях переменных во времени. — М.: Машиностроение, 1993. — 354 с.

6. 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-x

7. Beghini 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/s11340-022-00928-5

8. 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.

9. Post D., Han B., Ifju P. High Sensitivity Moiré. Exp. Analysis for Mech. and Mat. — Berlin: Springer Verlag, 1994. — 444 p.

10. 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.

11. 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.2018.06.022

12. Апальков 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.

13. Разумовский И. А. Интерференционно-оптические методы механики деформируемого твердого тела. — М.: Изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. —240 с.

14. 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.2019.01.028

15. 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.

16. 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/ma15186330

17. Matvienko 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.13083

18. Pisarev 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.2017.04.029

19. Елеонский 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: 10.26896/1028-6861-2020-86-9-52-62

20. Елеонский 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: 10.26896/1028-6861-2020-86-10-46-55

21. Matvienko 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.2021.106310

22. Chernov 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.55.13

23. Matvienko 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.2021.106590

24. Eleonsky 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