Поля остаточных напряжений в окрестности заполненных монтажных отверстий панели крыла самолета

Проведены испытания на сопротивление усталости двух геометрически одинаковых конструктивно подобных моделей нижней панели крыла коммерческого самолета. Панели отличались способом установки монтажных болтов, соединяющих обшивку и стрингер. В первой панели перед монтажом обшивки и стрингера выполняли холодное упрочнение отверстий. Во второй панели после сверления и развертывания дополнительную обработку отверстий не проводили. Болты устанавливали с натягом в пределах от 1,3 до 2,1 % для первой панели и от 2,9 до 3,2 % — для второй панели. Вариации в значениях натяга вызваны наличием полей допуска на диаметры как болтов, так и монтажных отверстий. Сравнение указанных технологий проведено на основе исследования полей остаточных напряжений. Выполнен анализ величин компонент остаточных напряжений в окрестности монтажных отверстий в обшивке, которые заполнены болтами с натягом. Компоненты остаточных напряжений определяли на основе метода сверления отверстия и метода последовательного наращивания длины трещины (ПНДТ). Деформационный отклик измеряли методом электронной спекл-интерферометрии. Первый (дискретный) метод, основанный на сверлении зондирующего отверстия, дает возможность количественно определять компоненты остаточных напряжений, начиная с расстояния 1,1 мм от контура монтажного отверстия. Второй (непрерывный) метод заключается в последовательном наращивании длины искусственного надреза. Разработан новый вариант метода ПНДТ, который обеспечивает определение параметров механики разрушения для надрезов, распространяющихся в зоне контактного взаимодействия. Он состоит в том, что в середине расстояния между исследуемыми монтажными отверстиями выполняют исходное сквозное отверстие, от контура которого и начинается последовательность искусственных надрезов. Конечной точкой этой последовательности является внешний контур болта. Такой подход обеспечивает анализ полей остаточных напряжений, возникающих при двух технологиях установки болтов, путем сравнения величин КИН. Оба экспериментальных подхода выявляют преимущества соединения с болтами, установленными в упрочненное отверстие. Обоснована и наглядно продемонстрирована высокая эффективность и надежность методов определения остаточных напряжений, использующих оптико-интерференционные измерения деформационного отклика на локальное удаление материала. Эти методы основаны на получении интерферограмм высокого качества, которые обеспечивают разрешение интерференционных полос предельной плотности непосредственно на контуре зондирующего отверстия или на берегах искусственного надреза.

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

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

3. Furukawa A., Kamiya K., Hagiwara M. Effect of the Residual Stress on the Fatigue Strength of a Bolt in Bolt/Nut Assemblies (Verification of the hypotheses using an axi-symmetric bolt model) / Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing. 2012. Vol. 6. N 1. P. 189 – 197.

4. Yunbo Bi, Jiefeng Jiang, Yinglin Ke. Effect of interference fit size on local stress in single lap bolted joints / Advances in Mechanical Engineering. 2015. Vol. 7. N 6. P. 1 – 12. DOI: 10.1177/1687814015590307

5. Keith W. J., Ralph W. B. Investigation of residual stress relaxation in cold expanded holes by the slitting method / Engineering Fracture Mechanics. 2017. Vol. 179. P. 213 – 224. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2017.05.004

6. Unglaub J., Jahns H., Thiele K. Finite element analysis of residual stresses in large cold-rolled threads. XV International Conference on Computational Plasticity. Fundamentals and Applications. COMPLAS 2019 E. Oñate, D. R. J. Owen, D. Peric, M. Chiumenti & Eduardo de Souza Neto (eds.).

7. Schajer G. S., To L. Simulation of Infinite Boundaries When Evaluating Hole-Drilling Calibration Data / Experimental Mechanics. 2022. Vol. 62. N 8. P. 1247 – 1255. DOI: 10.1007/s11340-022-00834-w

8. Welch M. Fatigue Analysis of Preloaded Bolted Joints / FME Transactions. 2022. Vol. 50. N 4. P. 607 – 614. DOI: 10.5937/fme2204607W

9. Welch M. An Analytical Study of Asymmetrical Preloaded Bolted Joints / International Journal of Modern Research in Engineering and Technology. 2022. Vol. 7. N 3. P. 6 – 11.

10. Елеонский С. И., Зайцев М. Д., Матвиенко Ю. Г., Писарев В. С. Поля остаточных напряжений в панели крыла самолета по данным измерения деформационного отклика на локальное удаление материала. 1. Свободные монтажные отверстия / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 11. С. 71 – 88.

11. 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.

12. 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. Vol. 110. P. 437 – 456. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2018.06.022

13. Pisarev V. S., Matvienko Yu. 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. Vol. 179. P. 348 – 374. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2017.04.029

14. Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. The effect of low-cycle fatigue on evolution of fracture mechanics parameters in residual stress field caused by cold hole expansion / Frattura ed Integrità Strutturale. 2019. Vol. 47. P. 303 – 320. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.47.23

15. Matvienko Yu., Pisarev V., Eleonsky S. Investigation of fatigue damage accumulation by measurements of deformation response to narrow notch increment / Procedia Structural Integrity. 2020. Vol. 28. P. 584 – 590.

16. 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

17. 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. № 10. С. 46 – 55. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-10-46-55

18. 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. 149. 106310. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106310

19. 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. Vol. 155. 106590. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106590

20. Усов С. М., Разумовский И. А., Одинцев И. Н. Исследование неоднородных полей остаточных напряжений способом наращиваемой трещины в сочетании с методом ЭСИ / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 86. № 10. С. 50 – 58. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-9-50-58