Исследование воздействия концентратора механических напряжений на процессы возникновения и развития трещин в конструкционных элементах авиационной техники

Цель исследования – исследование закономерностей развития трещин в конструкционных элементах авиационной техники от концентратора напряжений при воздействии растягивающего вдоль главной оси усилия, симметричных знакопеременных нагрузок (вибраций) и комбинированного воздействия с целью определения критичности эксплуатации изделий авиационной техники с дефектами типа трещин, обоснование либо опровержение потребности в исследовании и эксплуатации процессов развития напряженно-деформированных состояний, предшествующих возникновению трещины, в системах и комплексах периодического, предполетного и оперативного контроля технического состояния изделий авиационной техники.
Методы. Экспериментальное исследование закономерностей развития трещин от концентратора напряжений в конструкционных элементах двух форм-факторов: цилиндрического образца (ГОСТ 25347-82), имитирующего стрингер или несущую конструкционную балку, и пластинчатого образца (ГОСТ 1497-84), имитирующего элемент обшивки летательного аппарата. Цилиндрические образцы подвергались деформированию, вызванному кинетикой вращения, пластинчатые образцы подвергались одноосному растягивающему напряжению и воздействию знакопеременных нагрузок (вибраций) по отдельности и комбинированно. 
Результаты. Изучены закономерности приповерхностного и глубинного развития трещин, их связь с частотой приложения симметричных знакопеременных нагрузок. Установлены выражения для приближенного инженерного расчета предела выносливости материала, площади поверхности разрушения и постоянной выносливости с точностью аппроксимации около 0,8. Для образцов в форме плоских пластин построена диаграмма «напряжение-деформация», наглядно иллюстрирующая снижение выносливости материала к воздействию комбинированных нагрузок по отношению к воздействию только статических растягивающих напряжений. Оценено примерное количество остаточных циклов до разрушения конструктивного элемента с учетом амплитудно-частотных параметров действующей вибрации при наличии трещины в образце. Приведена методика оценки с применением коэффициента интенсивности нагрузок и математическими выражениями для его расчета.
Заключение. Сделан вывод о необходимости анализа динамики развития напряженно-деформированных состояний (усталости) материала как состояний, предшествующих появлению трещин, для осуществления достаточного контроля технического состояния конструктивных элементов изделий авиационной техники.

1. Куртаев С. Ж. Теория и практика контроля и диагностики систем воздушных судов гражданской авиации // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2016. Т. 2. С. 242–244.

2. Чапенко А. А. Российский рынок гражданской авиации на современном этапе // Экономика и бизнес. 2019. № 8. С. 186–189. https://doi.org/10.24411/2411-0450-201911140.

3. Бодрова Е. В. Эволюция отечественного авиастроения в постсоветский период // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2016. № 2-6. С. 29–31.

4. Васильцова А. Динамика гражданского авиастроения на советском и постсоветском пространстве: региональный аспект // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. 2019. № 4. С. 72–83. https://doi.org/ 10.18384/2310-7189-2019-4-72-83.

5. Ступаков В. Я. Проблемы обеспечения летной годности воздушных судов: экономические аспекты // Экономика: вчера, сегодня, завтра. 2022. Т. 12, № 9А. С. 667–673. https://doi.org/10.34670/AR.2022.68.55.074.

6. Саидумаров И. М., Умаров А. А., Закиров Р. Анализ возможностей централизованной системы встроенного контроля и диагностики для дистанционного контроля параметров воздушных судов // International Scientific and Practical Conference World Science. 2016. Т. 1, № 5(9). С. 79–82. EDN VWANML.

7. Зарубежный опыт создания и применения систем FIS (Fight Inspection Systems) для контроля характеристик и сертификации авионики и аэронавигационного обеспечения воздушных судов с использованием DGPS-подсистем / В. П. Харченко, А. А. Жалило, В. В. Конин, В. М. Кондратюк // Аэрокосмические системы мониторинга и управления: материалы VI Международной научно-технической конференции. Киев: Национальный авиационный университет, 2004. Т. 2. C. 21–29.

8. Фейгенбаум Ю. М., Соколов Ю. С. Анализ современного состояния и перспектив развития отечественной системы мониторинга эксплуатации силовой конструкции гражданских ВС // Научный вестник ГосНИИ ГА. 2015. № 7 (318). С. 14–23.

9. Сизонов И. И., Мухин И. Е., Барабушка А. С. Подходы к определению остаточного ресурса основных узлов вертолёта с учётом выполненных профилей полёта // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2023. Т. 1, № 3. С. 61– 73.

10. Гаврильев И. М., Корольков Д. И., Гравит М. В. Модифицированная методика расчета остаточного ресурса с использованием экспоненциального распределения // Вестник Евразийской науки. 2019. № 2. С. 89–103.

11. Определение остаточного ресурса и методы повышения уровня безопасности при эксплуатировании конструкционных материалов в авиации / А. В. Котелкин, И. Г. Роберов, Д. Б. Матвеев, И. С. Леднев // Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 1 (4). С. 104–113.

12. Вараксина Я. М., Бухаров А. Е. Порядок перевода авиационных радиовысотомеров на техническую эксплуатацию по состоянию // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2016. Т. 2. С. 244–251.

13. Сизонов И. И., Барабушка А. С., Мухин И. Е. Двухэтапная математическая модель оценки режимов вынужденных вибраций элемента обшивки летательного аппарата с применением оптоволоконных технологий // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2023. Т. 13, № 3. С. 52–64.

14. Баранов М. И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике // Электротехника. Выдающиеся события. Знаменитые имена. 2017. № 6. С. 3–13.

15. Xia Q. Overview of aerospace materia s and their app ications // Theoretica and Natura Science. 2023. N 13. P. 115–120. https://doi.org/10.54254/2753-8818/13/20240808.

16. Research progress on heat treatment process of supera oys / L. J. Cui, X. Y. Lin, Q. Zhu, C. J. Wang, P. Zhang // Materia s Reports. 2016. N 4. P. 106–117.

17. Exp oring gradient pathways in high temperature, functiona y graded a oys a new approach aims to fabricate parts with targeted, site-specific properties for a wide range of app ications in extreme environments within the aviation, space, and energy sectors / S. Nag, B. Jordan, K. An, J. Ti ey, C. Zhang, F. Zhang // Advanced Materia s & Processes. 2022. Vo . 180, N 2. P. 16–20.

18. Deve opment and app ications of a uminum a oys for aerospace industry / S. S. Li, X. Yue, Q. Y. Li, H. L. Peng, B. X. Dong, T. S. Liu, H. Y. Yang, J. Fan, S. L. Shu, F. Qiu, Q. C. Jiang // Journa of Materia s Research and Techno ogy. 2023. N 2. P. 112–119. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.274.

19. Карташова Е. Д. Исследование влияния технологических дефектов на формирование статистических полей напряжений в композиционных материалах лопастей квадрокоптеров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2023. № 3(67). С. 173–185. https://doi.org/10.21685/2072-3059-2023-3-13. EDN QHDUBI.

20. Карташова Е. Д., Муйземнек А. Ю. Технологические дефекты слоистых полимерных материалов // Технические науки. Машиностроение и машиноведение. 2017. № 2 (42). С. 79–89.