RU1343689C

RU1343689C - Method for decelerating fatigue crack propagation in structures

Info

Publication number: RU1343689C
Authority: RU
Inventors: А.А. Шанявский
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации
Priority date: 1985-10-10
Filing date: 1985-10-10
Publication date: 1994-04-15

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: method involves drilling additional hole with its axis disposed in plane of crack in front of its apex and placing additional half-couplings in this hole with their jointing plane being oriented perpendicularly to crack plane. Then additional fasteners are installed. Before tightening these fasteners spring inserts are placed between them on both sides of structure. Tightening of fasteners creates compression stresses in planes parallel to plane of crack in front of its apex. Use of above operations makes it possible to improve efficiency of method, to increase 1.7 times period of retardation of crack growth from hole at its apex, to transfer crack propagation into internal mass of material with slow destruction of undersurface layers and to bring crack edges into contact with each other. As a result speed of crack growth between fasteners will not exceed 4 * 4×10^-8 m/cycle as compared with expected speed of (2 to 7) * (2-7)×10^-7 m/cycle. EFFECT: improved effectiveness of method. 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам задержки роста усталостных трещин в конструкциях, и может найти применение в эксплуатации летательных аппаратов и при ремонте любого вида техники. The invention relates to mechanical engineering, in particular to methods of delaying the growth of fatigue cracks in structures, and can find application in the operation of aircraft and in the repair of any kind of equipment.

Целью изобретения является повышение эффективности задержки роста преимущественно сквозной трещины в конструкциях за счет создания условий контактного взаимодействия берегов усталостной трещины. The aim of the invention is to increase the efficiency of growth retardation mainly through cracks in the structures by creating conditions of contact interaction of the edges of the fatigue cracks.

На фиг. 1 изображена поверхность детали со сквозной усталостной трещиной после установки пружинных вставок; на фиг. 2 - сечение детали с пружинными вставками после их установки и затяжки крепежных элементов в плоскости, перпендикулярной продолжению плоскости усталостной трещины; на фиг. 3 - сечение детали с устройством, реализующим предлагаемый способ, в плоскости трещины перед затяжкой крепежных элементов. In FIG. 1 shows the surface of a part with a through fatigue crack after installing spring inserts; in FIG. 2 - section of a part with spring inserts after their installation and tightening of fasteners in a plane perpendicular to the continuation of the plane of the fatigue crack; in FIG. 3 - section of a part with a device that implements the proposed method, in the plane of the crack before tightening the fasteners.

В элементе конструкции 1 со сквозной усталостной трещиной 2 осуществляют сверление отверстия 3 в вершине усталостной трещины 2 и дополнительного отверстия 4 перед вершиной трещины 2 с осью, расположенной в плоскости трещины, в которой помещают полувтулки 5 и 6, причем в отверстии 3 у вершины усталостной трещины 2, а в отверстии 4 впереди усталостной трещины 2 ориентируют плоскость раздела полувтулок 6 перпендикулярно плоскости трещины 2. В отверстия 3 и 4 помещают стяжные болты 7 и 8, под головками которых располагают сферические шайбы 9 и 10. С противоположной стороны детали 1 навинчивают гайки 11 и 12, под головками которых располагаются сферические шайбы 9, 10, 13 и 14, помещают пружинные вставки 15, 16 и создают ими напряжения сжатия при стягивании стяжных болтов 7 и 8 в плоскости, параллельной плоскости трещины 2 перед ее вершиной. In a structural member 1 with a through fatigue crack 2, a hole 3 is drilled at the top of the fatigue crack 2 and an additional hole 4 in front of the crack tip 2 with an axis located in the plane of the crack in which half-sleeves 5 and 6 are placed, and in hole 3 at the top of the fatigue crack 2, and in the hole 4 in front of the fatigue crack 2, the section plane of the half-sleeves 6 is oriented perpendicular to the plane of the crack 2. In the holes 3 and 4, tightening bolts 7 and 8 are placed, under the heads of which spherical washers 9 and 10 are placed. on the opposite side of part 1, screw nuts 11 and 12, under the heads of which spherical washers 9, 10, 13 and 14 are located, place spring inserts 15, 16 and create compression stresses when tightening the coupling bolts 7 and 8 in a plane parallel to the plane of crack 2 before its top.

Дополнительное сверление отверстия перед вершиной усталостной трещины позволяет в последующем реализовать условие создания сжимающих усилий перпендикулярно направлению роста трещины. При этом размещение полувтулок их плоскостью раздела перпендикулярно плоскости трещины обеспечивает создание сжимающих напряжений в плоскости трещины в направлении, противоположном движению трещины. Благодаря этому создаются предпочтительные условия для пластического деформирования материала, что приводит к резкому снижению скорости роста трещины при подходе к отверстию, расположенному перед вершиной усталостной трещины. Размещение пружинных вставок между двумя крепежными элементами с обеих сторон трещины позволяет создать неравномерное поле сжимающих напряжений в плоскости продолжения плоскости усталостной трещины и реализовать крутящий момент в плоскости трещины. Благодаря созданию крутящего момента возникает явление контактного взаимодействия берегов усталостной трещины и снижение ее скорости. Помимо этого действие сжимающих усилий обеспечивает создание условий для ротационной пластической деформации в вершине усталостной трещины, что приводит к затратам энергии не на рост трещины, а на пластическое деформирование материала, что также уменьшает скорость роста усталостной трещины и может приводить к ее частичной остановке. Additional drilling of the hole in front of the top of the fatigue crack allows subsequently realizing the condition for creating compressive forces perpendicular to the direction of crack growth. In this case, the placement of half-shells by their plane of separation perpendicular to the plane of the crack ensures the creation of compressive stresses in the plane of the crack in the direction opposite to the motion of the crack. This creates preferable conditions for plastic deformation of the material, which leads to a sharp decrease in the crack growth rate when approaching the hole located in front of the top of the fatigue crack. Placing spring inserts between two fasteners on both sides of the crack allows you to create an uneven field of compressive stresses in the plane of continuation of the plane of the fatigue crack and to realize torque in the plane of the crack. Due to the creation of torque, the phenomenon of contact interaction of the banks of a fatigue crack occurs and its velocity decreases. In addition, the action of compressive forces ensures the creation of conditions for rotational plastic deformation at the apex of a fatigue crack, which leads to energy consumption not for crack growth, but for plastic deformation of the material, which also reduces the growth rate of a fatigue crack and can lead to its partial stop.

Выявляемые в процессе эксплуатации элементов авиационных конструкций усталостные трещины имеют размеры до нескольких десятков миллиметров. Это указывает на значительный период стабильного роста трещины, применительно к которому и используется предлагаемый способ задержки роста трещины. В связи с этим размер участка между двумя соседними крепежными элементами - основным и дополнительным - должен составлять несколько десятков миллиметров. При этом необходимо иметь в виду, что в зависимости от жесткости пружинных вставок и расстояния между крепежными элементами можно реализовать разную величину сжимающих усилий в плоскости, являющейся продолжением плоскости трещины. Причем их максимальная величина соответствует средней части зоны материала между крепежным элементом. Помимо этого следует учитывать тот факт, что с увеличением диаметра отверстия под крепеж снижается концентрация напряжений и возрастает эффективность задержки роста трещины. Поэтому максимальное расстояние между крепежными элементами должно составлять не более 100 мм. Более точно оценка расстояния между крепежом может быть проведена с учетом условия, что задержка развития трещины в зоне действия сжимающих усилий выражается в снижении скорости роста трещины менее 5 х 10^-8 м/цикл. Зная потребный оптимальный период межремонтного обслуживания τ, частоту приложения повреждающей нагрузки f к ремонтному элементу конструкции, можно определить максимально допустимое расстояние между крепежными элементами r_о из выражения
r₀ ≅ 5 ˙ 10^-8 (τ f)[м] .Fatigue cracks detected during the operation of aircraft structural elements are up to several tens of millimeters in size. This indicates a significant period of stable crack growth, in relation to which the proposed method for delaying crack growth is used. In this regard, the size of the section between two adjacent fasteners - the main and additional - should be several tens of millimeters. It should be borne in mind that, depending on the stiffness of the spring inserts and the distance between the fasteners, it is possible to realize different compressive forces in a plane that is an extension of the crack plane. Moreover, their maximum value corresponds to the middle part of the material zone between the fastener. In addition, one should take into account the fact that with an increase in the diameter of the hole for fasteners, the stress concentration decreases and the efficiency of the crack growth retardation increases. Therefore, the maximum distance between the fasteners should be no more than 100 mm. More accurately, the distance between the fasteners can be estimated taking into account the condition that the delay in the development of a crack in the area of compressive forces is expressed in a decrease in the crack growth rate of less than 5 x 10 ^-8 m / cycle. Knowing the required optimal period of overhaul maintenance τ, the frequency of application of the damaging load f to the structural repair element, we can determine the maximum permissible distance between the fastening elements r _о from the expression
r ₀ ≅ 5 ˙ 10 ^-8 (τ f) [m].

Например, для частоты нагружения f = 10Гц и периода межремонтного обслуживания 40 ч расстояние между крепежом составляет ≈70 мм. For example, for a loading frequency of f = 10 Hz and a 40-hour overhaul period, the distance between the fasteners is ≈70 mm.

П р и м е р. В стенке лонжерона из алюминиевого сплава Д16Т толщиной 10 мм была выявлена усталостная трещина. Трещина распространялась от одного из крепежных элементов. В вершине трещины было выполнено отверстие диаметром 8 мм, а перед вершиной трещины на расстоянии 40 мм было выполнено другое отверстие диаметром 8 мм. В отверстия были установлены полувтулки толщиной 1 мм, внутри которых были запрессованы болты r₀≅ 5·10^-8(τf)[м] 6 мм. Между крепежом располагали пружинные вставки, изготовленные из стали 30 ХГСА. Толщина вставок составила 3 мм, ширина вставок ≈15 мм с радиусом выступа ≈1 мм. При этом на вставке с двумя выступами расстояние между ними составило ≈7 мм.PRI me R. A fatigue crack was detected in the wall of the spar from an aluminum alloy D16T with a thickness of 10 mm. A crack spread from one of the fasteners. A hole with a diameter of 8 mm was made at the top of the crack, and another hole with a diameter of 8 mm was made at a distance of 40 mm in front of the crack tip. Half-sleeves 1 mm thick were installed in the holes, inside of which bolts r ₀ ≅ 5 · 10 ^-8 (τf) [m] 6 mm were pressed. Between the fasteners were spring inserts made of 30 HGSA steel. The thickness of the inserts was 3 mm, the width of the inserts ≈15 mm with a radius of the protrusion ≈1 mm Moreover, on the insert with two protrusions, the distance between them was ≈7 mm.

Указанный лонжерон подвергался нагружению в условиях полунатурных испытаний конструкции методом маркерных режимов, которые имитировали блоки эксплуатационных нагрузок. При этом в результате маркерных режимов нагружения на поверхности излома элемента конструкции формировались усталостные линии, расстояние между которыми δ характеризовало прирост усталостной трещины за блок приложения нагрузок. Поэтому о кинетике усталостных трещин до и после осуществления операций по предлагаемому способу судили после проведения стендовых испытаний конструкции на основании фрактографических исследований с применением высокоразрешающего растрового электронного микроскопа. Исследуемый излом получали путем вскрытия трещины, развившейся между крепежом. The specified spar was subjected to loading under conditions of semi-natural tests of the structure by the method of marker modes, which imitated blocks of operational loads. In this case, as a result of marker loading conditions, fatigue lines were formed on the surface of the fracture of the structural element, the distance between them δ characterizing the growth of the fatigue crack per load unit. Therefore, the kinetics of fatigue cracks before and after the operations of the proposed method was judged after bench tests of the structure based on fractographic studies using a high-resolution scanning electron microscope. The studied fracture was obtained by opening a crack that developed between the fasteners.

Проведенные исследования показали, что после выполнения операций по предлагаемому способу уменьшение скорости роста трещины произошло в несколько раз. При этом в направлении роста трещины между крепежом происходило не увеличение, а небольшое снижение скорости роста трещины (определявшейся как величина прироста трещины за блок приложения внешних нагрузок). Это обусловлено тем, что в срединной части между крепежом интенсивность действия сжимающих усилий в плоскости наибольшая. Studies have shown that after performing operations according to the proposed method, a decrease in the crack growth rate occurred several times. In this case, in the direction of crack growth between the fasteners, there was not an increase, but a small decrease in the crack growth rate (defined as the value of the crack growth per block of external loads). This is due to the fact that in the middle part between the fasteners the intensity of the compressive forces in the plane is greatest.

Выявленное снижение скорости роста трещины после ее выхода от отверстия в вершине трещины свидетельствует об эффективности использования способа для задержки роста усталостных трещин в конструкциях. На всей длине роста трещины между крепежом величина δ была менее 20 мкм, тогда как до операций по предлагаемому способу она достигала 40 мкм. При этом половина длины развития трещины в зоне пружинных вставок составила ≈10 мкм, т. е. снижение скорости произошло в 2-4 раза на разных участках роста трещины. Следовательно, по предлагаемому способу в эксперименте была реализована задержка роста трещины в 2-4 раза. Необходимо также отметить, что увеличение задержки роста трещины происходило и в отверстиях. При выполнении отверстий без установки полувтулок задержка трещины уменьшилась в 1,5-2 раза. The revealed decrease in the crack growth rate after it exits from the hole in the crack tip indicates the effectiveness of using the method to delay the growth of fatigue cracks in structures. Over the entire length of the growth of the crack between the fasteners, the value of δ was less than 20 μm, while before the operations of the proposed method it reached 40 μm. In this case, half the length of the crack development in the area of the spring inserts was ≈10 μm, i.e., the decrease in velocity occurred by a factor of 2–4 in different sections of the crack growth. Therefore, according to the proposed method in the experiment, a delay in crack growth of 2-4 times was realized. It should also be noted that an increase in the delay in crack growth occurred in the holes. When making holes without installing half-sleeves, the crack delay decreased by 1.5–2 times.

Предлагаемый способ позволяет достичь задержки развития усталостной трещины. The proposed method allows to achieve a delay in the development of a fatigue crack.

(56) Авторское свидетельство СССР N 1165552, кл. В 23 Р 6/00, 1983. (56) Copyright certificate of the USSR N 1165552, cl. B 23 P 6/00, 1983.

Claims

METHOD FOR DELAYING GROWTH OF FATIGUE CRACKS IN STRUCTURES mainly with through cracks, consisting in making holes at the tops of the cracks, installing half-sleeves in them, and then fasteners in the holes formed by half-sleeves, with a radial interference of 5 - 10% of the nominal diameter of the hole in the crack tip under bushings and axial interference, characterized in that, in order to increase its efficiency by creating conditions of contact interaction of the banks of the fatigue crack, perform an additional hole with an axis, located in the plane of the crack, in front of its top, additional half-sleeves are installed in this hole, they are oriented with a plane of separation perpendicular to the plane of the crack, additional fasteners are installed, and before tightening the fasteners, spring inserts are placed between them on both sides of the structure and they are created when the fasteners are pulled together compressive stresses in planes parallel to the plane of the crack in front of its peak.