СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПРОЧНОСТЬ Российский патент 1999 года по МПК G01N3/08 G01L5/24 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к средствам исследования прочности элементов авиационных конструкций.

Область применения - авиастроение, судостроение, машиностроение и др.

При создании летательного аппарата одной из важнейших задач является выбор оптимальной схемы и расчета соединений элементов конструкций. Актуальность этой задачи определяется большим числом соединений и применением различных видов крепежа в летательных аппаратах, таких как болты, заклепки, сварка, склеивание и др. Наибольшее распространение в конструкциях пассажирских самолетов получили заклепочные и болтовые соединения. В этих соединениях, работающих на срез, внешние усилия воспринимаются элементами крепления, а также силой трения по контактным поверхностям соединяемых элементов. Например, в работе [1] Григорьева В.П. "Высокопрочные швы для заклепочных соединений из легких сплавов и метод их расчета". Труды НИАТ, N 28, 1950 г., указывалось, что в соединениях дюралевых конструкций силы трения могут воспринимать до 15% внешних усилий, передаваемых на шов, а в работе [2] Ярковца А. И. , Сироткина О.С., Фролова В.А., Киселева Н.М. "Технология выполнения высокоресурсных заклепочных и болтовых соединений в конструкциях самолетов", М., "Машиностроение", 1987 г., стр. 41, показано, что повышение осевой затяжки в 4 раза приводит к увеличению числа циклов до разрушения в два-три раза.

Однако, на практике при проектировании болтовых и заклепочных соединений силы трения, как правило, не учитываются, и поэтому вес реальных конструкций оказывается завышенным.

Это объясняется тем, что до настоящего времени нет достоверных данных о влиянии силы трения на несущую способность соединений авиационных конструкций. Так, например, в работе А.И.Яковца и др. [2] на стр. 127 - 128 в комментариях к результатам испытаний, приведенных на рис. 7.2, говорится, что "из приведенных данных, построенных по результатам испытаний трех-пяти образцов на каждую точку, увеличение затяжки болта не приводит к росту статической прочности соединений. Объясняется это тем, что по контактным поверхностям соединяемых элементов с увеличением затяжки и воздействия внешней нагрузки развиваются значительные силы трения, но в момент разрушения за счет сдвига шва силы трения отсутствуют. По сечению происходит выравнивание напряжений и увеличение затяжки не оказывает существенного влияния на разрушающее напряжение". Этот вывод противоречит результатам предварительных исследований, приводимых ниже в настоящей заявке. Где показано, что в 2-х срезном соединении увеличение затяжки до 70% от разрушающей нагрузки болта статическая прочность соединения для различных материалов увеличивается на 22-36,5% по сравнению с нулевой затяжкой. Это указывает на то, что разработка и внедрение в практику экспериментальных исследований предлагаемого способа испытания разъемных соединений на несущую способность авиационных конструкций является актуальной технической и экономической задачей.

Известен способ испытания на прочность элементов конструкций летательных аппаратов (см. ГОСТ 1497-61, "Металлы. Методы испытаний на растяжение", М., Госстандарт СССР, 1961 г.), заключающийся в том, что к образцам прикладывают растягивающие нагрузки до разрушения и измеряют при этом деформации, а затем рассчитывают механические характеристики, которые распространяют на конструкцию.

Недостатком способа является то, что он не обеспечивает возможность определения влияния сил трения, обусловленных усилием осевой затяжки в соединениях элементов конструкций на прочность.

Известен способ испытания на прочность болтовых соединений элементов авиационных конструкций (см. "Технология выполнения высокоресурсных заклепочных и болтовых соединений в конструкциях самолетов", Ярковец А.И., Сироткин О.С., Фирсов В.А., Киселев Н.М., М., "Машиностроение", 1987 г., стр. 92 - 122), принятый за прототип, заключающийся в том, что соединяют с помощью болтов элементы конструкции механическим моментным ключом, создают осевой натяг в болтах, нагружают соединение растягивающей силой до разрушения и определяют несущую способность соединения.

Недостатком способа является низкая точность задания и начального контроля величины осевого усилия в болте по косвенному параметру - крутящему моменту и неконтролируемость этой величины в процессе нагружения до разрушения. Погрешность задания и контроля осевой нагрузки на болт по величине крутящего момента, прикладываемого моментным ключом к головке болта или гайке, может достигать ±30%, которая зависит от различного рода дефектов резьбового соединения, задиров в зоне контакта головки болта и гайки, неравномерности смазки и окисления резьбы, деформирования резьбы и т.д. Кроме того в процессе нагружения до разрушения из-за возможных изгибных нагрузок, внецентренного приложения нагрузок, вибраций, ударного приложения нагрузок и др. величина осевой затяжки болтов в действительности изменяется, что приводит к дополнительным погрешностям при оценке влияния величины затяжки болтов на несущую способность соединений. При работе соединения в условиях повышенных температур и воспроизведения этих условий при испытаниях в соединениях, изготовленных из разнородных материалов, может возникать дополнительный натяг (ослабление) болта, что также не учитывается при использовании известного способа испытаний соединений. Попытки проведения параметрических исследований с целью определения влияния усилия осевой затяжки на прочность авиационных конструкций с применением известного способа не дают положительных результатов.

Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить возможность экспериментального определения влияния осевой затяжки на несущую способность (прочность) соединений конструкций в широком диапазоне температур снижения их веса, затрат на изготовление и эксплуатацию и повысить тактико-технические характеристики, что является важнейшим техническим результатом для всех летательных аппаратов.

Технический результат достигается тем, что при применении известного способа испытаний, заключающегося в нагружении образцов соединений до разрушения на разрывной испытательной машине, устанавливают под головку болта устройство для определения величины усилий затяжки болтового соединения, например, по изобретению N 699372, затягивают крепежные элементы различных партий образцов осевыми нагрузками с погрешностью не более ± (0,5 = 1,0)% от 0 до 80% от разрушающего усилия болта, нагревают и нагружают образцы с установленными на них устройствами для измерения осевой затяжки крепежа на испытательной машине осевой силой до разрушения, регистрируют при этом непрерывно величины нагрузок, действующие на болт и соединение до разрушения, определяют влияние осевой затяжки на прочность соединения при заданном уровне температур и затяжки болтов по формуле:

где P_o ^разр. - разрушающее усилие соединения без осевой затяжки болта при заданной температуре;
P_i ^разр - разрушающее усилие при i-й величине осевой затяжки болта и заданной температуре.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема образца разъемного соединения с устройством для определения усилий затяжки болтов.

На фиг. 2 приведена схема измерения усилий затяжки болтов и нагрузки соединения при испытаниях до разрушения.

Изобретение осуществляется следующим образом. Выбирается и изготавливается партия типовых образцов соединений из материала авиационной конструкции. Устанавливают под головки болтов 1 (фиг. 1) вместо шайб в соединении 2 устройство 3, например, устройство по авт. свид. N 699372 для определения усилий затяжки болтов. Затягивают болты различных групп образцов по 3-5 шт. осевыми нагрузками с погрешностью не более (0,5-1)% от 0 до 80% от разрушающего усилия болтов. Затем поочередно нагревают и нагружают образцы с установленными на них устройствами до разрушения соединения силой P на испытательной машине. При этом непрерывно регистрируют усилие затяжки болта P_зат. устройством 3 и силоизмерительным датчиком 4 (см. фиг. 2) испытательной машины.

Влияние усилия осевой затяжки на прочность (несущую способность) соединения конструкции при заданной температуре определяют по формуле

где P_o ^разр. - разрушающее усилие соединения при величине осевой затяжки P_зат = 0;
P_i ^разр - разрушающее усилие соединения при величинах осевой затяжки P_зат ⁱ, равной 10, 20, 40, 50, 60, 70 и 80% от разрушающего усилия болта (P_б ^разр).

Регламентирование точности задания и контроля величины затяжки болтов ± (0,5 - 1,0)% обусловлено тем, что для пар материалов соединения с малым коэффициентом трения и низких уровнях затяжки болтов при низкой точности измерительного устройства могут быть получены ошибочные результаты исследований и, соответственно, сделаны неправильные выводы о влиянии сил трения, обусловленных усилием осевой затяжки на несущую способность соединения.

Величины затяжки болтов P_зат ⁱ, равные 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 и 80% от разрушающего усилия болта P_б ^разр, приняты в соответствии с технологическими требованиями в авиационной промышленности для различных конструктивных схем и материалов.

Требование одновременной непрерывной регистрации сил, действующих на болт и соединение, обусловлено необходимостью контроля величины затяжки болта до разрушения соединения, так как неправильное воспроизведение нагрузок при испытаниях (изгибные нагрузки, внецентренное приложение нагрузки, вибрации, ударное приложение нагрузки и др.) может привести к изменению величины осевой нагрузки на болт и изменению несущей способности соединения в целом и, соответственно, к ошибочным результатам испытаний.

Регистрации показаний устройства 3 и силоизмерительного датчика 4 испытательной машины (см. фиг. 2) может осуществляться двумя стандартными автоматическими самопишущими приборами 5 типа КСТ-4, синхронизация работы которых производится устройством 6.

В качестве примера в таблице приведены величины влияния сил трения в соединениях на их несущую способность. Откуда видно, что для пар материалов соединения алюминий-алюминий эта величина достигается 35% при P_зат. = 0,7 P_б ^разр. от несущей способности соединения, а для пары алюминий-титан равна +36,5%.

На основании этих предварительных исследований можно сделать вывод, что даже для конструкций одноразового применения, какими являются различного типа ракеты, учет осевой затяжки в соединениях существенно увеличивает весовую отдачу летательных аппаратов в целом, т.е. существенно снизить их вес и, соответственно, снизить затраты на изготовление и эксплуатацию, а также повысить их тактико-технические характеристики.

Изобретение предназначено для использования в авиастроении, судостроении, машиностроении и других областях. Перед испытанием образцов соединений устанавливают под головки болтов измерительные устройства для определения усилий осевой затяжки болтов. Болты затягивают усилием 0 - 80% от заданного усилия разрушения болтов на растяжение. Образцы соединений нагревают и нагружают растягивающей силой на разрывной испытательной машине до разрушения. Одновременно и непрерывно измеряют при этом величины нагрузок, действующих на образцы соединений, и величины усилий осевой затяжки. Прочность разъемных соединений конструкций определяют с учетом влияния на нее величины усилий осевой затяжки при разрушении образцов соединений. Технический результат заключается в возможности оценки влияния усилий осевой затяжки на прочность элементов конструкций. 2 ил., 1 табл.

Способ испытания разъемных соединений конструкций на прочность, заключающийся в том, что образцы соединений нагружают растягивающей силой до разрушения на разрывной испытательной машине, отличающийся тем, что перед испытанием устанавливают под головки болтов образцов соединений измерительные устройства для определения усилий осевой затяжки болтов, затягивают болты усилиями осевой затяжки 0 - 80% от заданного усилия разрушения болтов на растяжение, при нагружении растягивающей силой на разрывной испытательной машине до разрушения образцы соединений дополнительно нагревают, при этом одновременно и непрерывно измеряют величины растягивающих усилий, действующих на образцы соединений, и величины усилий осевой затяжки, а влияние величины осевой затяжки на прочность разъемных соединений конструкций при заданной температуре определяют по формуле

где Р_о ^разр - усилие разрушения разъемного соединения при величине усилия осевой затяжки, равной нулю;
Р_i ^разр - усилие разрушения разъемного соединения при i-й величине усилия осевой затяжки.