Усталость при сложном напряженном состоянии
Большинство испытаний на усталость образцов самолетостроительных материалов и элементов авиаконструкций проводят при осевом нагружении (растяжении-сжатии), реже при изгибе, причем в последнем случае разрушение обычно происходит от действия нормальных напряжений. Такая практика
оправдана не только относительной простотой испытаний, но и представительностью результатов испытаний для анализа и оценок усталостных долговечностей элементов в системе планера самолета. Это обусловлено тем, что для многих элементов усталостную долговечность определяют нормальные напряжения (стрингеры, пояса лонжеронов, шпангоуты, многие участки обшивки крыла и т. п.). Однако это все-таки частный случай циклического нагружения авиаконструкций.
Более общим является многоосное нагружение (двухосное растяжение обшивки герметического фюзеляжа, комбинация нормального напряжения со сдвигом в стенках и на значительных участках обшивки крыла). Практически все агрегаты конструкции работают в условиях сложного комбинированного циклического нагружения; так, для фюзеляжа пассажирского самолета это - комбинация наддува, изгиба и кручения, для крыла - комбинация изгиба, кручения, перерезывающих сил и т. п. Поэтому во многих случаях надлежащий учет сложного напряженного состояния в анализе сопротивления усталости элементов конструкций совершенно необходим.
В других случаях (отметим это еще раз) осевое нагружение вполне достоверно отражает условия циклического нагружения элемента. Это связано как с особенностями процесса усталости, чувствительного в наибольшей мере к напряжениям растяжения, так и с особенностями авиаконструкций, в которых многие элементы воспринимают не сразу все, а лишь некоторые виды нагрузок (пояса - изгиб, стенки - сдвиг и т. п.).
Кроме того, важно и количественное соотношение между «основными» и «дополнительными» напряжениями. Поэтому результаты испытаний с одноосным нагружением многих типовых элементов (панелей и поперечных стыков обшивки крыла и фюзеляжа, поясов лонжеронов и т. п.) достаточно информативны и надежны. В то же время для полной оценки усталостной долговечности всех основных силовых элементов конструкций необходимы методы экспериментального и расчетного определения усталостной долговечности при плоском напряженном состоянии. Особая значимость именно плоского напряженного состояния обусловлена не только конструктивными особенностями планера самолета, состоящего из тонкостенных элементов конструкций, но и тем, что подавляющее большинство усталостных трещин начинается с поверхности детали, где реализуется плоское напряженное состояние.
Переходя к рассмотрению имеющихся методов и критериев оценки усталости при сложном напряженном состоянии, отметим, что здесь имеются две группы задач, исследованных в существенно различной мере. Наиболее (хоть и недостаточно) изученным является многоцикловая усталость при синфазном действии составляющих циклического напряженного состояния.
Хуже исследованы вопросы, связанные с несинфазным действием различных циклических нагрузок, в частности влияние на усталость сдвига фаз между нормальными и касательными напряжениями. Очевидно, что для анализа сопротивления усталости элементов авиаконструкций важны оба случая нагружения.
Так, в герметическом фюзеляже наддув создает синфазные продольные и кольцевые напряжения, тогда как напряжения изгиба имеют и другие частоту и сдвиг по фазе; аналогично, в крыле нормальные напряжения и сдвиг от аэродинамической нагрузки синфазны, а секущая сила от шасси создает в примыкающей зоне крыла значительные сдвиги, отличающиеся по частоте и по фазе, и небольшое изменение нормальных напряжений. Таких примеров можно привести множество. Традиционный подход к анализу этих случаев состоит в определении усталостной долговечности отдельных зон в элементе конструкции на базе циклических номинальных напряжений, т. е. напряжений, которые можно определить методами сопротивления материалов. В этом смысле следует понимать и область применения рассматриваемых методик оценки многоцикловой (>105 циклов) усталости. В последнее десятилетие интенсивно развиваются методы анализа сопротивления усталости на основе кинетики деформаций в опасной точке. Для решения этих задач требуется знание не только напряженного, но и деформированного состояний и не в точке, а в зоне концентрации напряжений. Поэтому уже не представляется возможным ограничиться плоским напряженным состоянием, требуется
критерий сопротивления усталости для трехосного нагружения.
Одна из задач этого направления - малоцикловая усталость (до нескольких тысяч циклов) при сложном напряженном состоянии- интенсивно разрабатывается; более общий случай - до значений циклических долговечностей циклов - исследован еще очень слабо.