64480

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ МЕТОД ПІДВИЩЕННЯ ВТОМНОЇ ДОВГОВІЧНОСТІ РОЗНІМНИХ БОЛТОВИХ З’ЄДНАНЬ ЕЛЕМЕНТІВ ПЛАНЕРА ЛІТАКА

Автореферат

Астрономия и авиация

Їх довговічність має бути не меншою за довговічність нерознімних поздовжніх болтових з’єднань силових елементів планера виконаних з осьовим і радіальним натягом.

Украинкский

2014-07-07

5.5 MB

1 чел.

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
«Харківський авіаційний інститут»

0BГребеніков Вадим Олександрович

1BУДК 629.735.33

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ МЕТОД
ПІДВИЩЕННЯ ВТОМНОЇ ДОВГОВІЧНОСТІ
РОЗНІМНИХ БОЛТОВИХ З’ЄДНАНЬ
ЕЛЕМЕНТІВ ПЛАНЕРА ЛІТАКА

Спеціальність 05.07.02 – проектування,
виробництво та випробування літальних апаратів

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків – 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського
«Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Бичков Сергій Андрійович,
Державне підприємство «АНТОНОВ»,
м. Київ, головний інженер.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Фомічов Петро Олександрович,
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний
інститут», м. Харків, завідувач кафедри
міцності літальних апаратів;

кандидат технічних наук
Єретін Анатолій Петрович,
Державне підприємство «АНТОНОВ»,
м. Київ, заступник начальника
розрахунково-дослідного відділу.

Захист  відбудеться  «U 16 U»U   грудня    U 2010 р. о U 12 U годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного
університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий «U  9  U»U    листопада    U 2010 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради       О.М. Застела 


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із пріоритетних напрямів розвитку промисловості України є створення авіаційної техніки. В останні десятиліття відзначається збільшення зростання конкуренції на світових ринках авіаційних транспортних послуг. Для збереження конкурентоспроможності нової авіаційної техніки, що створюється в Україні, необхідно вести нові наукові розробки в галузі проектування та виробництва літаків.

Важливим показником конкурентоспроможності літаків одного класу разом із мінімальним значенням їх злітної маси є ресурс планера літака. Сучасні літаки транспортної категорії проектують і виготовляють з урахуванням заданого ресурсу й терміну служби, величина яких знаходиться в діапазоні від 10 тисяч польотів (50 тисяч льотних годин) для дальніх магістральних літаків до 50 тисяч польотів (80 тисяч льотних годин) для літаків місцевих повітряних ліній при терміні їх експлуатації 25 – 30  років.

Конструктивні елементи з рознімними болтовими з’єднаннями є силовими елементами конструкції планера літака, що визначають його ресурс. Їх довговічність має бути не меншою за довговічність нерознімних поздовжніх болтових з’єднань силових елементів планера, виконаних з осьовим і радіальним натягом.

Отже, розроблення конструктивно-технологічного методу підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань елементів планера літака є вельми актуальним завданням, а створення методів і способів досягнення регламентованих ресурсних характеристик елементів конструкції планера літака має велике практичне значення у вирішенні проблеми забезпечення безпеки польотів в умовах тривалої експлуатації літаків.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Тема дисертаційної роботи безпосередньо пов’язана з реалізацією стратегії розвитку авіаційної промисловості України до 2020 року, а також із виконанням прикладної держбюджетної науково-дослідної теми № Д103-21/2009 «Методи інтегрованого проектування, інженерного аналізу, конструювання та параметричного моделювання високоресурсних літаків транспортної категорії» (ДР № 0109U002184).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення втомної довговічності та ресурсу рознімних болтових з’єднань елементів планера літака.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

– провести аналіз конструктивно-технологічних особливостей і методів підвищення втомної довговічності елементів планера літака в зоні рознімних болтових з’єднань;

– науково обґрунтувати метод підвищення втомної довговічності конструктивних елементів рознімних болтових з’єднань дорнуванням, локальним і бар’єрним обтисненням;

– дослідити характеристики локального напружено-деформованого стану (НДС) і втомної довговічності зразків конструктивних елементів планера літака в зоні рознімних болтових з’єднань;

– провести експериментальні дослідження впливу сумісного застосування локального та бар’єрного обтиснення деталей на характеристики втомної довговічності моделей конструктивних елементів планера літака в зоні рознімних болтових з’єднань;

– розробити конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань.

Об’єкт дослідженняпроектування та виробництво літакових конструкцій з урахуванням втоми.

Предмет дослідженняконструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань елементів планера літака з одностороннім підходом.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач широко застосовували: метод скінченних елементів, реалізований в системі CAD/CAE ANSYS; розрахунково-експериментальні методи визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів на характеристики опору втомі; методи параметричного тривимірного моделювання за допомогою системи CAD/CAM/CAE/PLM Unigraphics; експериментальні методи дослідження характеристик опору втомі типових елементів болтових рознімних з’єднань; технологічні методи виробництва збірних літакових конструкцій.

Адекватність розрахункових моделей перевірена при втомних випробуваннях типових зразків і збірних вузлів елементів болтових рознімних з’єднань.

Наукова новизна одержаних результатів:

– вперше розроблено конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності та ресурсу рознімних болтових з’єднань елементів планера літака шляхом удосконалення технології складання з’єднань з одностороннім підходом, застосування дорнування стінок циліндричних отворів, а також локального та бар’єрного обтиснення конструктивних елементів у зоні циліндроконічних отворів;

– вдосконалено метод визначення характеристик локального НДС елементів планера літака в зоні рознімних потайних болтових з’єднань шляхом урахування технології оброблення деталей пружно-пластичним локальним і бар’єрним обтисненням;

– дістала подальший розвиток методика прогнозування втомної довговічності й ресурсу конструктивних елементів планера літака в зоні рознімних потайних болтових з’єднань на основі зміни питомої енергії деформації, числових й експериментальних досліджень.

Практичне значення одержаних результатів:

– розроблений метод аналізу впливу сумісного локального та бар’єрного обтиснення на характеристики локального напружено-деформованого стану силових елементів рознімних болтових з’єднань у зоні циліндроконічних отворів дозволяє на стадії проектування прогнозувати зони ймовірного втомного руйнування конструктивних елементів, вибирати конструктивно-технологічні способи оброблення та конструктивні параметри цих зон, що забезпечують підвищення ресурсних характеристик;

– конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань елементів планера літака дає можливість досягати заданих ресурсних характеристик елементів конструкції без збільшення маси конструкції;

– вдосконалена технологія складання рознімних болтових з’єднань дозволяє виключити пошкодження стінок отворів в деталях, що з’єднуються, технологічними та робочими болтами;

– сумісне локальне та бар’єрне обтиснення конструктивних елементів у зоні циліндроконічних отворів приводить до підвищення втомної довговічності смуг із циліндроконічними отворами (на експлуатаційному рівні навантаження  = 130  МПа) в 7,5 разу порівняно з довговічністю смуги з циліндричним отвором і в 14,8 разу порівняно з довговічністю смуги з циліндроконічним отвором;

– дорнування стінок циліндричних отворів, а також локальне та бар’єрне обтиснення конструктивних елементів рознімного болтового з’єднання в зоні циліндроконічних отворів приводить до підвищення втомної довговічності конструктивно подібних зразків рознімних болтових з’єднань на експлуатаційному рівні навантаження  = 130  МПа більш ніж в 8,1 разу порівняно з довговічністю смуги з циліндричним отвором і більш ніж в 16 раз порівняно з довговічністю смуги з циліндроконічним отвором.

Результати, отримані в дисертаційній роботі, впроваджено на ХДАВП, ДП «АНТОНОВ» і в навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут».

Особистий внесок здобувача. Автор запропонував і розробив метод аналізу впливу сумісного локального та бар’єрного обтиснення на характеристики локального НДС силових елементів рознімних болтових з’єднань [1, 3, 7, 13]. Обґрунтував спосіб сумісного локального та бар’єрного обтиснення конструктивних елементів у зоні циліндроконічних отворів для підвищення їх втомної довговічності [2, 5, 6, 7, 10, 13]. Розробив програму експериментальних досліджень щодо визначення впливу сумісного локального та бар’єрного обтиснення на характеристики втомної довговічності зразків смуг із циліндроконічними отворами та конструктивно подібних зразків рознімних болтових з’єднань, проаналізував результати втомних випробувань [2, 5, 14]. Удосконалив технологію складання рознімних болтових з’єднань, яка дозволяє виключити пошкодження стінок отворів у деталях, що з’єднуються [1, 3, 11]. Розробив конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань елементів планера літака, що є складовою частиною методу інтегрованого проектування високоресурсного крила літака [3, 4, 5, 7, 8, 9, 14].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації неодноразово доповідалися й обговорювалися: на міжнародних конференціях «Нові технології в машинобудуванні» (1998 – 2010 рр.), «Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки» (2007 – 2010 рр.), демонстраційних виставках авіаційної техніки АВІАСВІТ-XXI, МАКС (Київ, Москва, 2001 – 2007  рр.), на науково-технічній конференції, що проводилася в рамках 7-го Міжнародного авіаційно-космічного салону «АВІАСВІТ-XXI» (Київ, 2010 р.), виставках «Сучасна освіта в Україні» (1998 – 2003  рр.); на Міжнародному семінарі в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» «Сучасні технології проектування EDS PLM Solutions (UNIGRAPHICS)» (2003 р.), семінарах кафедри проектування літаків і вертольотів Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» (2002 – 2010 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 14 статтях, опублікованих в профільних виданнях, вказаних у переліку ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг становить 187 сторінок, включаючи 137 сторінок основного тексту, 156 рисунків, 21 таблицю, список використаних джерел із 124 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок автора, подано інформацію щодо апробації, публікацій, структури та обсягу роботи.

У першому розділі проведено аналіз стану проблеми розроблення конструктивно-технологічних методів підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань елементів планера літака.  Відмічено значний внесок учених і фахівців ЦАГІ, Національної академії наук України, ДП «АНТОНОВ», АНТК ім. С.В. Іллюшина, АНТК ім. А.М. Туполєва, Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», Національного авіаційного університету, Національного технічного університету «КПІ», Московського авіаційного інституту (Державний технічний університет), НДІАТ, ВАТ УкрНДІАТ, ВАТ УкрНДІТМ, Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка, Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренко в розроблення методів підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань елементів планера літака.

У результаті аналізу конструктивно-технологічних особливостей рознімних болтових з’єднань силових елементів конструкції літаків, що працюють на зріз, встановлено, що вони значною мірою визначають міцність, ресурс, герметичність і масу збірних агрегатів.

Особливе місце серед них займають анкерні потайні з’єднання з гайками (рис. 1), що самі контруються, які застосовують у конструктивних елементах з одностороннім підходом для кріплення знімних панелей крила, оперення та фюзеляжу, кришок люків, носових і хвостових частин  крила, оперення, зализів.

Аналіз технології встановлення болтів на серійному підприємстві показав, що в процесі складання крил із застосуванням серійної технології було виявлено систематичне пошкодження стінок отворів елементів, що сполучалися, різьбовою частиною встановлюваних болтів (завглибшки до 0,2 мм). Причина пошкоджень полягає в наявності технологічних відхилень, що виникають при виробництві гайок, що самі контруються, та складанні з’єднань.

Тому виникає необхідність удосконалення технології виконання болтових рознімних з’єднань, котра виключає пошкодження стінок отворів.

Втомні руйнування зрізних потайних болтових з’єднань в експлуатації відбуваються в зоні концентрації напружень і деформацій, що визначаються конструкцією потайних гнізд і способами їх оброблення.

На експлуатаційних рівнях навантажень довговічність моделей потайних болтових з’єднань практично в два рази нижче за довговічність смуги з циліндричним отвором, що визначає ресурс поздовжніх силових елементів крила.

Для підвищення довговічності смуг з отворами застосовують технологічні способи оброблення деталей, що з’єднуються, в зоні отворів дорнуванням ( = 2…4 %), бар’єрним обтисненням (глибина обтиснення – 0,2…0,3 мм). Проте аналіз літературних джерел показав, що відсутнє наукове обґрунтування методів підвищення втомної довговічності таких з’єднань. Відсутні практичні рекомендації щодо виконання високоресурсних рознімних потайних болтових з’єднань і прогнозування ресурсних характеристик таких з’єднань на основі аналізу характеристик локального напружено-деформованого стану.

На основі проведеного аналізу сформульовано мету та завдання дисертації.

Рис. 1. Типові анкерні з’єднання елементів конструкції планера літака:
1 – поздовжнє з’єднання панелей від’ємної частини крила; 2 – з’єднання нервюри
з пане
ллю; 3 – з’єднання панелей центроплана; 4 – з’єднання панелі з поясом лонжерона
(поздовжній переріз); 5 – з’єднання панелі центроплана з нервюрою; 6 – з’єднання
панелі з накладкою; 7 – з’єднання панелі з нервюрою; 8 – установка зливного клапана

Дані, наведені в розділі 1, опубліковані в роботах [1, 5].

У другому розділі наведено наукове обґрунтування методу підвищення втомної довговічності конструктивних елементів рознімних болтових з’єднань локальним і бар’єрним обтисненням.

Проведений аналіз показав, що тільки один із видів обробки (дорнування або розкочування, глибока пластична деформація) не дозволяє досягти заданих ресурсних характеристик конструктивних елементів рознімних болтових з’єднань. Тому було проаналізовано вплив сумісного локального (з відносним натягом 0,6 і 7%) та бар’єрного обтиснення (глибина обтиснення – 0,3 мм) на характеристики локального НДС розтягнутої смуги з циліндроконічним отвором з урахуванням пружно-пластичних властивостей матеріалу і технологічних особливостей оброблення смуги в зоні отвору.

Розроблений метод аналізу характеристик локального НДС смуги з циліндроконічним отвором (рис. 2) при сумісному локальному та бар’єрному обтисненні містить:

– створення тривимірних параметричних моделей смуги з циліндроконічним отвором

Рис. 2. Зразок смуги
з циліндроконічним отвором:
а – без обтиснення; б – з обтисненням

й обтискачів (рис. 3);

– розроблення розрахункової схеми розтягнутої смуги з отвором;

– задання кривої деформації матеріалу;

– створення скінченно-елементних моделей смуги з циліндроконічним отвором й обтискачів (рис. 4). Урахування контактної взаємодії ділянок смуги й обтискачів;

– задання граничних умов по площинах симетрії;

– моделювання процесу руху нижнього обтискача на етапі сумісного локального та бар’єрного обтиснення;

– витягування обтискачів після завершення технологічного процесу сумісного локального та бар’єрного обтиснення;

– прикладання зовнішніх розтяжних зусиль, що відповідають рівню розтяжних напружень в перерізі брутто;

– моделювання процесу розвантаження шляхом зняття дії зовнішніх розтяжних зусиль;

– аналіз розподілу головних розтяжних напружень по товщині в перерізі по осі отвору;

– розрахунок характеристик локального НДС смуги в перерізі по осі отвору та в зоні обтиснення;

– визначення амплітуди та максимальних розтяжних напружень, деформацій і питомої енергії деформації еквівалентного віднульового циклу () у перерізі по осі отвору та в зоні обтиснення (рис. 5).

На рис. 5 показано криві залежності  для смуг: 1 – з циліндричним отвором; 2 – з циліндроконічним отвором; 3 – з циліндроконічним отвором, обробленої методом виштампування лунок сегментної конфігурації, в перерізі по осі отвору; 4 – з циліндроконічним отвором, обробленої мето-

а

б

Рис. 3. Фрагменти тривимірних моделей обтискачів: а – для перехідних зон;
б – колового бар’єрного обтиснення

а

б

Рис. 4. Скінченно-елементні моделі:
а – смуги з циліндроконічним
отвором; б – обтискачів

дом виштампування лунок сегментної конфігурації, в зоні виштампування; 5 – з циліндроконічним отвором, обробленої методом локального обтиснення, в перерізі по осі отвору;

6 – з циліндроконічним отвором, обробленої комбінованим методом, у перерізі по осі отвору; 7 – з циліндроконічним отвором, обробленої комбінованим методом, у зоні кільцевого виштампування.

У результаті проведеного аналізу
в діапазоні розтяжних напружень
 = 50…175 МПа встановлено: виштампування лунок сегментної конфігурації глибиною 0,3 мм на нижній поверхні смуги приводить до зниження величини максимальних головних розтяжних напружень еквівалентного віднульового циклу в
1,17 – 2,07 разу, головних розтяжних д
ефор-

Рис. 5. Вплив рівня навантаження
та способів оброблення на розподіл
у смузі з циліндроконічним
отвором при розтягуванні

мацій еквівалентного віднульового циклу – в 1,1 – 1,94 разу та величини максимальної питомої енергії деформації еквівалентного віднульового циклу – в 1,29 – 4,01 разу порівняно з відповідними величинами для необробленої смуги з циліндроконічним отвором (порівняння проводили в перерізі по осі отвору); комбіноване оброблення шляхом сумісного локального та бар’єрного обтиснення смуги приводить до зниження величини максимальних головних розтяжних напружень еквівалентного віднульового циклу в 1,17 – 2,4 разу, головних розтяжних деформацій еквівалентного віднульового циклу – в 1,29 – 2,26 разу та величини максимальної питомої енергії деформації еквівалентного віднульового циклу – в 1,37 – 5,43 разу порівняно з відповідними величинами для необробленої смуги з циліндроконічним отвором.

Для визначення впливу способів оброблення на характеристики втомної довговічності смуги з циліндроконічним отвором проведено експериментальні дослідження щодо визначення характеристик втомної довговічності смуг:

– з циліндричним отвором;

– з циліндроконічним отвором;

– оброблених у зоні циліндроконічного отвору обтисненням перехідних зон циліндроконічного отвору (на глибину 0,5 мм);

– оброблених у зоні циліндроконічного отвору коловим бар’єрним обтисненням (завглибшки 0,3 мм);

– сумісним обтисненням перехідних зон і коловим бар’єрним обтисненням на установці ЦДМ-10ПУ при  = 130 МПа.

На рис. 6 показано характер втомного руйнування зразків.

В результаті проведення втомних випробувань встановлено:

– втомна довговічність смуги з циліндроконічним отвором становить 0,5 втомної довговічності смуги з циліндричним отвором;

– втомна довговічність смуги з циліндроконічним отвором, обробленої в зоні отвору обтисненням перехідних зон, становить 0,75 втомної довговічності смуги з циліндричним отвором;

– втомна довговічність смуги з циліндроконічним отвором, обробленої в зоні отвору бар’єрним коловим обтисненням або сумісним обтисненням перехідних зон циліндроконічного отвору та коловим бар’єрним обтисненням, вище в 7,5 разу втомної довговічності смуги з циліндричним отвором і в 14,9 разу – смуги з циліндроконічним отвором.

а

б

в

Рис. 6. Характер втомного руйнування зразків: а – смуга з циліндричним отвором;
б – см
уга з циліндроконічним отвором; в – смуга з циліндроконічним отвором,
оброблена в зоні отвору коловим бар’єрним обтисненням

Розроблено аналітичний вираз для прогнозування втомної довговічності конструктивних елементів в зоні отворів на основі характеристик локального НДС – питомої енергії деформації в локальній зоні її концентрації (зоні ймовірного втомного руйнування).

Аналітичний вираз для кривої втомної довговічності має вигляд , де – пружна складова питомої енергії деформації, МПа. Аналітичний вираз для прогнозування втомної довговічності модифікованих конструктивних елементів з отворами наведемо таким чином:

,

де , , ,  – коефіцієнти рівняння кривих втоми , отримані в результаті оброблення результатів утомних випробувань базового та модифікованих зразків.

Для не навантаженого на зріз рознімного болтового з’єднання, обробленого методом дорнування смуги в зоні циліндричного отвору та сумісним обтисненням перехідних зон і коловим бар’єрним обтисненням в зоні циліндроконічного отвору, вираз має вигляд

.

Аналіз результатів розрахунків довговічності за запропонованою методикою підтвердив збіжність і достовірність запропонованого методу прогнозування та показав, що прогнозовані значення довговічності зразків знаходяться в діапазоні меж розсіювання втомних характеристик, отриманих експериментально.

Дані, наведені в розділі 2, опубліковані в роботах [3, 11, 12, 13, 14].

У третьому розділі проведено дослідження характеристик локального НДС і втомної довговічності зразків конструктивних елементів планера літака в зоні рознімних болтових з’єднань.

Розроблено методику визначення зміни характеристик локального НДС за допомогою системи інженерного аналізу ANSYS в анкерному з’єднанні в процесі його створення та навантаження. Методика містить визначення залишкових навантажень у панелі, що утворилися після процесу клепання заклепок, у ході встановлення анкерної гайки, поля розподілу еквівалентних напружень в елементах з’єднання, еквівалентних максимальних, середніх, амплітудних і віднульових нормальних напружень й деформацій, коефіцієнтів концентрації напружень і деформацій, питомої енергії деформації, зміни зазорів у з’єднанні та контактного тиску між поверхнями, що сполучаються, і порівняння напружено-деформованого стану в елементах анкерного з’єднання з аналогічними характеристиками подібного з’єднання з низькою шестигранною гайкою.

Як модель для аналізу локального НДС прийнятий зразок поздовжнього з’єднання (шириною 25  мм) панелі крила літака Ан-74, який навантажується в напрямку однієї осі, (рис. 7).

Рис. 7. Зразок поздовжнього не навантаженого на зріз потайного з’єднання:
а – з анкерною гайкою; б – з низькою шестигранною гайкою

У результаті проведеного аналізу локального НДС встановлено, що при розгляді характеру розподілу еквівалентних напружень в смугах після прикладання розтяжного навантаження найбільш небезпечні зони знаходяться в циліндричній частині отвору та зонах переходу конічної частини до циліндричної. В анкерному з’єднанні найбільші напруження спостерігаються в смузі з конічним зенкуванням під анкерний болт. Після прикладання зусилля затягування в конічній частині виникають еквівалентні напруження, що дорівнюють 185 МПа. При збільшенні розтяжного навантаження напруження в цій зоні зростають і досягають 365 МПа при  = 200 МПа. У смузі з отворами під анкерну гайку питома енергія деформації в поперечному перерізі в зоні отвору під болт на 25% більше, ніж у зоні отвору під заклепку для розтяжних навантажень, які відповідають  = 200 МПа. Проте при установленні анкерної гайки ця різниця зменшується та становить 8%. Це пов’язано з тим, що частина розтяжного навантаження передається через саму анкерну гайку, а заповнені заклепками отвори зменшують локальні напруження та деформації в зоні циліндричного отвору.

Отримані при дослідженні характеристик локального НДС результати стали основою для визначення критичних місць концентрації питомої енергії деформації та розроблення конструктивно-технологічного методу підвищення втомної довговічності конструктивних елементів в зоні рознімних болтових з’єднань.

Розроблено методику визначення зміни характеристик локального НДС за допомогою системи інженерного аналізу ANSYS в елементах двозрізного однорядного потайного рознімного болтового з’єднання в процесі його створення та навантаження, а також порівняльну оцінку впливу двовушкової гайки, що сама контриться, на характеристики локального НДС у смузі, в якій вона встановлена, і порівняння характеристик НДС в подібному з’єднанні із звичайною низькою шестигранною гайкою (рис. 8).

Рис. 8. Зразок двозрізного однорядного потайного рознімного болтового з’єднання:
а – з анкерною гайкою; б – з низькою шестигранною гайкою

Методика містить визначення залишкових напружень у панелі, що утворилися після процесу клепання в ході встановлення анкерної гайки, поля розподілу еквівалентних напружень в елементах з’єднання, еквівалентних максимальних, середніх, амплітудних і віднульових напружень та деформацій циклу навантаження, коефіцієнтів концентрації напружень і деформацій, питомої енергії деформації, зміни контактного тиску в з’єднанні між поверхнями, що сполучаються, та порівняння напружено-деформованого стану в елементах анкерного з’єднання з аналогічними характеристиками подібного з’єднання з низькою шестигранною гайкою.

У результаті проведеного за розробленою методикою аналізу локального НДС було встановлено таке:

– встановлення двовушкової гайки, що сама контриться, приводить до розвантаження отвору під анкерний болт у смузі, де вона встановлена, порівняно із з’єднанням зі звичайною шестигранною гайкою. Так, у діапазоні навантажень, що відповідають  = 0…100 МПа, в анкерному з’єднанні максимальні напруження  на 30%, віднульові напруження  на 10%, амплітудні напруження  на 35%, питома енергія деформації на 37%, а контактний тиск  на 10% нижче, ніж у з’єднанні зі звичайною шестигранною гайкою;

– характеристики локального НДС у центральній смузі та нижній накладці анкерного з’єднання й з’єднання зі звичайною шестигранною гайкою відрізняються не більше ніж на 5%.

Отримані в результаті аналізу дані стали основою для дослідження впливу конструктивних і технологічних параметрів на характеристики локального НДС в елементах рознімних болтових з’єднань літакових конструкцій та їх опору втомі.

Для визначення критично небезпечних зон за умовами втомної довговічності елементів конструкції рознімних болтових з’єднань розроблено методику дослідження опору втомі поздовжніх з’єднань знімних панелей крила. Для дослідження опору втомі поздовжнього з’єднання знімної панелі крила його моделювання виконували на зразках, що навантажуються вздовж однієї осі (рис. 9), та зразках, що моделюють фрагмент панелі та завантаженість елементів кріплення на зріз від зусиль зрушення (рис. 10).

Аналіз результатів втомних випробувань показав, що руйнування всіх зразків (при  = 134…137 МПа) виникало від втомних тріщин в елементі, що моделює знімну панель крила. Руйнування виникало від зенкованих отворів для потайних болтів. Тріщини зароджувалися від циліндричної частини отвору або від зони переходу конічної частини до циліндричної.

Рис. 9. Зразок поздовжнього не навантаженого
на зріз з’єднання: а – кріплення гайки на пр
офілі;
б – встановлення двовушкових гайок,
що самі кон
тряться

Рис. 10. Зразок поздовжнього
н
авантаженого з’єднання
знімної панелі крила
і характер розповсюдження
втомної тріщини

Розвиток втомних тріщин у зразках, що моделюють фрагмент панелі, спочатку відбувалося перпендикулярно поздовжній осі з’єднання. При подальшому зростанні тріщин і виході їх із зони з’єднання в регулярну частину полотна панелі тріщини поверталися до напряму, перпендикулярного прикладеному навантаженню. Це підтвердило результати числових досліджень, що полягають в тому, що найбільш небезпечною в аспекті концентрації напружень є зона циліндроконічного отвору. Втомні випробування проведені на установці ЦДМ-10ПУ та МУП-50, відповідно.

При цьому втомна довговічність поздовжніх не навантажених на зріз з’єднань становила: при кріпленні гайки на профілі (рис. 9, а) – 20 800; при установленні двовушкових гайок, що самі контряться (рис. 9, б), – 42 600 циклів навантаження. Втомна довговічність навантаженого на зріз з’єднання становила: при кріпленні гайки на профілі – 22 400; при установленні двовушкових гайок, що самі контряться, – 24 700 циклів навантаження.

Результати втомних випробувань підтвердили доцільність і необхідність розроблення нових конструктивно-технологічних методів підвищення втомної довговічності елементів конструкції планера в зоні рознімних болтових з’єднань.

Дані, наведені в розділі 3, опубліковані в роботах [1, 4, 8].

У четвертому розділі подано результати експериментальних досліджень характеристик втомної довговічності типових моделей конструктивних елементів планера літака в зоні рознімних болтових з’єднань.

Експериментальні дослідження були проведені на установці ЦДМ-10ПУ на експлуатаційному рівні розтяжного циклічного навантаження ( = 130 МПа) для таких варіантів зразків:

– з’єднання смуги з циліндричним отвором й анкерної гайки;

– з’єднання смуги з циліндричним отвором, обробленої дорнуванням стінок отвору, й анкерної гайки;

– не навантажене на зріз поздовжнє рознімне болтове з’єднання;

– не навантажене на зріз поздовжнє рознімне болтове з’єднання, конструктивні елементи якого оброблені в зоні циліндричного отвору дорнуванням стінок отвору, а в зоні циліндроконічного отвору – обтисненням перехідних зон і бар’єрним коловим обтисненням.

Характер типового втомного руйнування зразків показано на рис. 11.

а

б

Рис. 11. Характер втомного руйнування зразків:
а – з’єднання смуги з циліндричним отв
ором й анкерної гайки; б – не навантаженого
на зріз рознімного болтового з’єднання, обробленого в зоні циліндроконічного отвору
обтисне
нням перехідних зон і коловим бар’єрним обтисненням

Аналіз характеру руйнування зразків свідчить про те, що втомне руйнування з’єднання смуги з циліндричним отвором й анкерною гайкою, не навантаженого на зріз рознімного болтового з’єднання, обробленого в зоні циліндроконічного отвору обтисненням перехідних зон і коловим бар’єрним обтисненням, відбувається в зоні циліндричного отвору. Втомне руйнування не навантаженого на зріз поздовжнього рознімного болтового з’єднання відбувається в зоні циліндроконічного отвору.

Зразки з’єднання смуги з циліндричним отвором, обробленої дорнуванням стінок отвору, й анкерною гайкою, а також зразки не навантаженого на зріз поздовжнього рознімного болтового з’єднання, конструктивні елементи якого оброблені в зоні циліндричного отвору дорнуванням стінок отвору, а в зоні циліндроконічного отвору обтисненням перехідних зон і бар’єрним коловим обтисненням, досягши  циклів навантаження, не руйнувалися, і для визначення зон втомного руйнування їх випробування були продовжені при  = 150  МПа.

При цьому встановлено, що втомна довговічність моделей рознімних болтових з’єднань конструктивних елементів планера літака, оброблених в зоні отворів дорнуванням стінок циліндричного отвору та сумісним локальним обтисненням перехідних зон циліндроконічного отвору й бар’єрним коловим обтисненням, приводить до підвищення втомної довговічності більш ніж в 8,1 разу порівняно зі смугою з циліндричним отвором, більш ніж в 16 раз порівняно зі смугою з циліндроконічним отвором і більш ніж в 9,7 разу порівняно з моделлю поздовжнього не навантаженого на зріз рознімного з’єднання.

Результати втомних випробувань показані у вигляді номограми на рис. 12.

Рис. 12. Вплив способів оброблення конструктивних елементів у зоні рознімних болтових з’єднань на характеристики втомної довговічності зразків на експлуатаційному рівні
нав
антаження  = 130 МПа:
1 – смуги з циліндричним отвором; 2 – смуги з циліндроконічним отвором; 3 – смуги
з циліндроконічним отвором, обробленої в зоні отвору обтисненням перехідних зон
циліндроконічного отвору; 4 – смуги з циліндроконічним отвором, обробленої в зоні
отвору коловим бар’єрним обтисненням; 5 – смуги з циліндроконічним отвором,
обробленої в зоні отвору сумісним обтисненням перехідних зон і коловим бар’єрним
обтисне
нням; 6 – смуги з циліндричним отвором і приклепаною анкерною гайкою;
7 – смуги з циліндричним отвором, обробленої дорнуванням стінок отворів із відно
сним натягом = 4% і приклепаною анкерною гайкою; 8 – не навантаженого на зріз рознімного болтового з’єднання; 9 – не навантаженого на зріз рознімного болтового з’єднання (смуга
з циліндричним отвором без дорнування стінок отвору, смуга з циліндроконі
чним отвором
оброблена обтисне
нням перехідних зон отвору та коловим бар’єрним обтисненням);
10 – не навантаженого на зріз поздовжнього рознімного болтового з’єднання,
конструкт
ивні елементи якого оброблені в зоні циліндричного отвору дорнуванням
стінок отвору, а в зоні циліндроконічного отвору – обтисненням перехідних зон і бар’єрним коловим обтисне
нням


На номограмі також показано коефіцієнт збільшення втомної довговічності зра
зків: , де  – втомна довговічність конструктивно-технологічних варіантів зразків;  – втомна довговічність смуги із циліндричним отвором.

Дані, наведені в розділі 4, опубліковані в роботі [14].

У п’ятому розділі викладено конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань.

Однією з причин зниження втомної довговічності рознімних болтових з’єднань в два рази є пошкодження стінок отворів при встановленні анкерних гайок. Тому була розроблена технологія складання з’єднань знімних панелей крила, що виключає пошкодження стінок отворів нарізною частиною технологічних і робочих болтів.

Завдяки застосуванню спроектованого нового обтискача для одночасного клепання заклепок, що приєднують гайку, яка сама контриться, до панелі, та конструкції технологічного болта, що дозволяє фіксувати гайку в робочому положенні в процесі утворення отворів під заклепки та їх розклепування, вдалося уникнути пошкодження стінок отворів. Схема взаємодії розроблених технологічних обтискачів і технологічного болта показана на рис. 13.

Розроблений конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань містить:

– утворення отворів з призначеним допуском;

– дорнування стінок циліндричних отворів елементів рознімного болтового з’єднання;

– встановлення за допомогою розроблених спеціальних технологічних болтів гайок, що самі контряться, з гарантованим осьовим натягом;

– утворення отворів під заклепки для гайок, що самі контряться, і зняття задирок;

– виконання заклепувальних з’єднань гайок,

Рис. 13. Взаємодія технологічних
обтискачів і болта при одночасному
кл
епанні

що самі контряться, з елементами конструкції;

– зняття технологічних болтів;

– оброблення конструктивних елементів у зоні циліндроконічних отворів сумісним обтисненням перехідних зон і коловим бар’єрним обтисненням;

– встановлення болтів кріплення та контроль стягування пакета.

Для підтвердження ефективності розробленого конструктивно-технологічного методу підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань проведені втомні випробування моделей рознімних не навантажених на зріз з’єднань на рівні навантаження  = 150  МПа.

При цьому встановлено, що втомна довговічність не зміцнених моделей зразків становила 30 000  циклів навантаження. Втомна довговічність моделей зразків не навантаженого на зріз поздовжнього рознімного болтового з’єднання, конструктивні елементи якого оброблені в зоні циліндричного отвору дорнуванням стінок отвору з відносним натягом 4%, а в зоні циліндроконічного отвору обтисненням перехідних зон (глибина обтиснення – 0,5 мм) і бар’єрним коловим обтисненням (глибина обтиснення – 0,3 мм) становила
310 000  циклів н
авантаження. Таким чином, застосування розробленого конструктивно-технологічного методу привело до підвищення втомної довговічності більш ніж в 10  разів.

У результаті застосування розробленого конструктивно-технологічного методу підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань ресурс таких з’єднань отримуємо шляхом діленням числа циклів до руйнування (), отриманого в лабораторних умовах при експлуатаційному рівні навантаження, на коефіцієнт надійності, визначений відповідно до Норм льотної придатності:

,

де  коефіцієнт надійності, мінімальне значення якого при встановленні ресурсу
за н
аслідками лабораторних випробувань зразків приймають таким, що
дорівнює ше
сти.

Тоді ресурс з’єднання при еквівалентному польотному циклі навантаження, що відповідає  = 130 МПа:  = 106 / 6 = 165 000 еквівалентних польотів.

Отримане значення перевищує проектний ресурс літака (50 тисяч польотів) більш ніж в три рази, що підтверджує досягнення мети дослідження даної роботи.

Результати досліджень, наведених у дисертаційній роботі, були впроваджені на ДП «АНТОНОВ», Харківському державному авіаційному виробничому підприємстві при проектуванні і виробництві авіаційної техніки, а також у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут».

Дані, наведені в розділі 5, опубліковані в роботах [2, 4, 7, 10, 11].

ВИСНОВКИ

Відповідно до поставленої мети та завдань у дисертації одержані такі результати:

1. На основі аналізу конструктивно-технологічних особливостей рознімних болтових з’єднань силових елементів планера літака, методик визначення характеристик локального НДС і втомної довговічності конструктивних елементів планера літака в зоні рознімних болтових з’єднань виконано наукове обґрунтування методу підвищення втомної довговічності з’єднань елементів шляхом визначення характеристик локального НДС у смугах із циліндричними і циліндроконічними отворами для анкерних потайних болтів з гайками, що самі контряться. Як критерій, що визначає довговічність, прийнята величина питомої енергії деформації, отримана з урахуванням технології оброблення деталей, що сполучаються, методами пружно-пластичного деформування.

2. Розроблено методику аналізу впливу сумісного локального та бар’єрного обтиснення на характеристики локального НДС смуги з циліндроконічним отвором. При цьому встановлено, що застосування локального та бар’єрного обтиснення приводить до зниження величини максимальної питомої енергії деформації еквівалентного віднульового циклу в зонах вірогідного втомного руйнування в 1,37 – 5,43 разу порівняно з її значенням для смуги з циліндроконічним отвором.

3. Досліджено вплив способів оброблення смуги в зоні циліндроконічного отвору на характеристики її втомної довговічності. Встановлено, що втомна довговічність смуги із циліндроконічним отвором, обробленої в зоні отвору сумісним обтисненням перехідних зон циліндроконічного отвору та коловим бар’єрним обтисненням, вище в 7,5 разу втомної довговічності смуги з циліндричним отвором і в 14,9 разу більше за довговічність смуги з циліндроконічним отвором на експлуатаційному рівні циклічного навантаження ( = 130  МПа).

4. Застосування розробленого способу підвищення втомної довговічності шляхом дорнування стінок циліндричного отвору і сумісним обтисненням перехідних зон циліндроконічного отвору та коловим бар’єрним обтисненням приводить до підвищення втомної довговічності не навантаженого на зріз рознімного болтового з’єднання більш ніж в 9,7  разу на експлуатаційному рівні навантаження ( = 130  МПа).

5. Розроблено конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності і ресурсу рознімних болтових з’єднань елементів планера літака шляхом удосконалення технології складання з’єднань з одностороннім підходом, застосування дорнування стінок циліндричних отворів, а також локального та бар’єрного обтиснення конструктивних елементів у зоні циліндроконічних отворів.

6. Застосування розробленого конструктивно-технологічного методу підвищення втомної довговічності забезпечує надійне досягнення заданих ресурсних характеристик елементів конструкції літака в зоні рознімних болтових з’єднань.

7. Результати досліджень упроваджені на ДП «АНТОНОВ», Харківському державному авіаційному виробничому підприємстві та в навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ».

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

  1.  Гребеников В.А. Технологические особенности выполнения соединений съемных панелей крыла с самоконтрящимися гайками / А.Г. Гребеников, В.А. Гребеников, С.В. Трубаев // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Гос. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 2. – Х., 1998. – С. 308  314.
  2.  Гребеников В.А. Технология исследования сопротивления усталости продольных соединений съемных панелей крыла / С.В. Трубаев, В.А. Гребеников // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Гос.
    аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 16(3). – Х., 1999. – С. 108 – 115.
  3.  Гребеников В.А. Технология моделирования съемных панелей в системе CAD/CAM/CAE Unigraphics / В.В. Парфенюк, В.А. Гребеников // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Гос. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 17(4). – Х., 1999. – С. 118 – 127.
  4.  Гребеников В.А. Методика назначения допускаемых напряжений для обеспечения заданного ресурса крыла / Е.Т. Василевский, В.А. Гребеников // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 25(2). – Х., 2000. – С. 116 – 122.
  5.  Гребеников В.А. Методы определения влияния конструктивно-технологических параметров на выносливость элементов планера самолета / А.Г. Гребеников, С.В. Трубаев, В.А. Гребеников и др. // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ».
    – Вып. 10. – Х., 2001. – С. 19
      54.
  6.  Гребеников В.А. Анализ характеристик локального НДС с помощью системы ANSYS
    в элементах двухсрезного однорядного потайного болтового соединения с односторонним подходом / В.А. Гребеников, Ю.А. Мовчан // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 18. – Х., 2003. –
     С. 154  170.
  7.  Гребеников В.А. Анализ характеристик локального НДС с помощью системы ANSYS в пластине с отверстием, подверженной упрочнению дорнированием или глубоким пластическим деформированием и растяжению / А.Г. Гребеников, Ю.А. Мовчан, В.А. Гребеников // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 32(1).
    – Х.,
    2003. – С. 124 – 138.
  8.  Гребеников В.А. Анализ характеристик локального НДС с помощью системы ANSYS
    в растянутом соединении двух пластин не загруженным на срез потайным болтом с двухушковой самоконтрящейся гайкой / В.А. Гребеников, Ю.А. Мовчан // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 33(2). – Х., 2003. – С. 80 – 96.
  9.  Гребеников В.А. Метод интегрированного проектирования и компьютерного моделирования крыла пассажирского самолета с помощью интегрированных систем CAD/CAM/CAE/PLM / В.А. Гребеников, А.М. Гуменный, В.Н. Николаенко, А.Н. Петров // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 27. – Х., 2005.
    – С. 8
      30.
  10.  Гребеников В.А. Метод анализа характеристик локального НДС при растяжении пластин с отверстиями / Е.Т. Василевский, В.А. Гребеников, А.М. Гуменный, С.П. Светличный // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 35. – Х., 2007.
     С. 13  29.
  11.  Гребеников В.А. Технология сборки соединений съемных панелей крыла / В.А. Гребеников // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 38.
    – Х., 2008. – С. 105
      112.
  12.  Гребеников В.А. Прогнозирование и расчет усталостной долговечности моделей силовых конструктивных элементов с отверстиями на этапах эскизного и рабочего проектирования / Г.А. Кривов, С.А. Бычков, Е.Т. Василевский и др. // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм.
    ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 45. – Х., 2010. – С. 51
      61.
  13.  Гребеников В.А. Метод анализа влияния совместного локального и барьерного обжатия на характеристики локального НДС растянутой полосы с цилиндроконическим отверстием // В.А. Гребеников, А.М. Гуменный, С.П. Светличный // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – Вып. 46. – Х., 2010. – С. 294  307.
  14.  Гребеников В.А. Экспериментальное исследование влияния способов обработки полосы в зоне цилиндроконического отверстия на характеристики ее усталостной долговечности / В.А. Гребеников // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ».
    – Вып. 47. – Х., 2010. – С. 62
      68.

АНОТАЦІЯ

Гребеніков В.О. Конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань елементів планера літака. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 – проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2010.

Розроблено конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності рознімних болтових з’єднань елементів планера літака шляхом локального та бар’єрного обтиснення елементів у зоні циліндроконічного отвору та дорнування стінок циліндричного отвору.

Досліджено характеристики локального НДС і втомної довговічності зразків конструктивних елементів планера літака в зоні рознімних болтових з’єднань.

Проведено експериментальні дослідження для визначення характеристик втомної довговічності типових моделей конструктивних елементів планера літака в зоні рознімних болтових з’єднань.

Розроблений конструктивно-технологічний метод підвищення втомної довговічності й ресурсу рознімних болтових з’єднань елементів планера літака шляхом удосконалення технології складання з’єднань з одностороннім підходом, застосування дорнування стінок циліндричних отворів, а також локального та бар’єрного обтиснення конструктивних елементів у зоні циліндроконічних отворів забезпечує надійне досягнення заданих ресурсних характеристик елементів конструкції літака в зоні рознімних болтових з’єднань.

Ключові слова: рознімне болтове з’єднання, знімна панель, локальне та бар’єрне обтиснення, дорнування, отвір, втомна довговічність.

АННОТАЦИЯ

Гребеников В.А. Конструктивно-технологический метод повышения усталостной долговечности разъемных болтовых соединений элементов планера самолета. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 – проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. – Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2010.

Диссертационная работа посвящена разработке конструктивно-технологического метода повышения усталостной долговечности разъемных болтовых соединений элементов планера самолета.

Выполнено научное обоснование метода повышения усталостной долговечности конструктивных элементов разъемных болтовых соединений локальным и барьерным обжатием элементов в зоне цилиндроконического отверстия и дорнованием стенок цилиндрического отверстия. Разработан метод анализа влияния совместного локального и барьерного обжатия на характеристики локального НДС полосы с цилиндроконическим отверстием при растяжении с учетом упругопластических свойств материала и технологических особенностей обработки полосы в зоне отверстия.

Проведены экспериментальные исследования по определению влияния способов обработки на характеристики усталостной долговечности полосы с цилиндроконическим отверстием. В результате усталостных испытаний установлено: усталостная долговечность полосы с цилиндроконическим отверстием составляет 0,5 усталостной долговечности полосы с цилиндрическим отверстием; усталостная долговечность полосы с цилиндроконическим отверстием, обработанной в зоне отверстия обжатием переходных зон, составляет 0,75 усталостной долговечности полосы с цилиндрическим отверстием; усталостная долговечность полосы с цилиндроконическим отверстием, обработанной в зоне отверстия барьерным круговым обжатием или совместным обжатием  переходных зон цилиндроконического отверстия и круговым барьерным обжатием, выше в 7,5 раза усталостной долговечности полосы с цилиндрическим отверстием и в 14,9 раза полосы с цилиндроконическим отверстием.

Проведено исследование характеристик локального НДС и усталостной долговечности конструктивных элементов планера самолета в зоне разъемных болтовых соединений. Разработаны методики определения изменения характеристик локального НДС с помощью системы инженерного анализа ANSYS в анкерном соединении и в элементах двухсрезного однорядного потайного разъемного болтового соединения в процессе их создания и нагружения.

Для определения критически опасных зон по условиям усталостной долговечности элементов конструкции разъемных болтовых соединений разработана методика исследования сопротивления усталости образцов продольных соединений съемных панелей крыла. Обработка результатов экспериментальных исследований показала, что разрушение всех образцов происходит от усталостных трещин в элементе, моделирующем съемную панель крыла. Разрушение возникало от зенкованных отверстий потайных болтов. трещины зарождались от цилиндрической части отверстия или от зоны перехода конической части к цилиндрической.

Проведены экспериментальные исследования по определению характеристик усталостной долговечности типовых моделей конструктивных элементов планера самолета
в зоне разъемных болтовых соединений. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что усталостная долговечность моделей разъемных болтовых соединений конструктивных элементов планера самолета
, обработанных в зоне отверстий дорнованием стенок цилиндрического отверстия и совместным локальным обжатием переходных зон цилиндроконического отверстия и барьерного кругового обжатия, приводит к повышению усталостной долговечности более чем в 8,1 раза по сравнению с полосой с цилиндрическим отверстием, более чем в 16 раз по сравнению с полосой с цилиндроконическим отверстием и более чем в 9,7 раза по сравнению с моделью продольного не нагруженного на срез разъемного соединения.

Разработанный конструктивно-технологический метод повышения усталостной долговечности и ресурса разъемных болтовых соединений элементов планера самолета путем усовершенствования технологии сборки соединений с односторонним подходом, применения дорнования стенок цилиндрических отверстий, а также локального и барьерного обжатия конструктивных элементов в зоне цилиндроконических отверстий обеспечивает надежное достижение заданных ресурсных характеристик элементов конструкции самолета в зоне разъемных болтовых соединений.

Ключевые слова: разъемное болтовое соединение, съемная панель, локальное и барьерное обжатие, дорнование, отверстие, усталостная долговечность.

ABSTRACT

V.A. Grebenikov. Structurally-technological method of increasing the fatigue life of detachable bolted joints of airframe structural members. – Manuscript.

Thesis for Scientific Degree of Candidate of Technical Science in Specialty 05.07.02 –
Aircraft Design, Manufacture, and Testing. – Zhukovskiy National Aerospace University
«Kharkiv Aviation Institute», Kharkiv, 2010.

The structurally-technological method of increasing the fatigue life of detachable bolted joints of airframe structural members has been developed in the way of application of local and barrier compression of components in zone of cylinder-conic hole and mandrelling the inner surface of cylindrical hole.

Parameters of local mode of deformation and fatigue life of airframe structural members in zone of detachable bolted joints have been investigated.

Experimental investigation on determination of fatigue life performance of airframe structural member standard models in zone of detachable bolted joints has been carried out.

The developed structurally-technological method of increasing the fatigue life and service life of detachable bolted joints of airframe structural members by improvement of technique of unidirectional joint assembly, mandrelling the inner surfaces of cylindrical holes, and local and barrier compression of structural members in zone of cylinder-conic holes ensures the assigned service life characteristics of airplane structural members in zone of detachable bolted joints.

Key words: detachable bolted joint, panel, local and barrier compression, mandrelling, hole, fatigue life.


Підписано до друку 02.11.2010 р.

Формат 60 84/16. Папір офсетний. Офс. друк.

Ум. друк. арк. 1,0. Наклад 100 прим. Замовлення № _____

Безкоштовно

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.  Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр «ХАІ»

61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu