Наведение сжимающих остаточных напряжений на поверхности опасных участков авиационных конструкций повышает усталостную долговечность и давно применяется на практике. Однако методика расчёта усталостной долговечности на полетных циклах нагружения с учетом поверхностных остаточных напряжений остается дискуссионной темой.
Предлагаемый в работе метод применяется для диска компрессора высокого давления (рис. 1, а) и проушины тяги кронштейна крепления авиационного двигателя (рис. 1, б), на контактной цилиндрической поверхности которых наведены остаточные напряжения.
Рис. 1. Поля интенсивности напряжений а) в диске компрессора высокого давления, б) в центральном сечении проушины
Определяется распределение собственных деформаций вблизи поверхности методом Давиденкова–Биргера с использованием полученной авторами реконструктивной формулы, которое внедряется в конечноэлементную модель через начальные деформации многослойных оболочечных элементов.
Рассчитывается распределение остаточных напряжений, порожденных собственными деформациями, а также напряжений, вызванных максимальными эксплуатационными нагрузками в полетном цикле (рис. 2). Остаточные напряжения смещают опасную точку с поверхности внутрь детали, практически не изменяя эксплуатационных напряжений. Для оценки времени зарождения усталостной трещины на полетных циклах используется предложенная авторами эволюционная модель.
Рис. 2. ‑ Поля напряжений вблизи отверстия с учетом эксплуатационной нагрузки и технологических остаточных напряжений
По экспериментальным кривым усталости определено два набора констант эволюционной модели, один из которых описывает чувствительность к нерегулярности нагружения, а другой ― нет. Кривые усталости для случая, когда очаг усталостного разрушения находится под слоем собственных деформаций, сымитированы сдвигом результатов испытаний образцов без поверхностного упрочнения.
Рис. 3. ‑ Результаты расчета эволюции усталостной поврежденности в ходе полетного цикла
Расчет для различных представлений полетного цикла и различных распределений собственных деформаций вблизи поверхности (рис. 3) показал, что упрощение первого или второго приводит к менее консервативным (завышенным) оценкам усталостной долговечности.
Данный эффект не описывается в рамках расчетов со схематизацией истории нагружения, сведения отдельных циклов многоосного нагружения к эквивалентным одноосным и суммированию их вкладов в поврежденность. Усталостное разрушение, зарождающееся под слоем остаточных напряжений, прогнозируется моделью как менее опасное событие, чем разрушение, начинающееся с поверхности.
Лаборатория нелинейной механики деформируемого твердого тела