URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Шишкин С.В. Механика герметичных заклепочных соединений
Id: 161265
 
483 руб.

Механика герметичных заклепочных соединений

URSS. 2012. 256 с. Мягкая обложка. ISBN 978-5-397-02947-6.

 Аннотация

В настоящей книге изложены основы инженерной механики напряженных заклепочных соединений. Получены выражения для определения контактного давления в стыке, напряженно-деформированного состояния деталей и остаточных напряжений в листах после образования соединений и при приложении внешней нагрузки. Проведен теоретический анализ особенностей разгрузки соединений после снятия усилия клепки. Установлено, что при определенной величине натяга происходит обратное упруго-пластическое нагружение заклепки суживающимся контуром отверстия на фоне снижения контактного давления. Предложены формулы расчета комбинированных соединений и заклепок с эффектом памяти формы. Рассмотрены методики расчета заклепочных соединений при растяжении-сжатии панели, работе на сдвиг и "отрыв" головки, в том числе и при разработке отверстий. Предложена методика количественного расчета на герметичность заклепочных соединений при моделировании шероховатого контакта эквивалентным пористым слоем. Получены основные зависимости массопереноса от чистоты обработки контактных поверхностей и величины натяга. Определены предельные значения нагрузки разгерметизации соединений. Приведены практические примеры расчета утечек топлива из крыльевых баков и воздуха из салона самолета за время полета.

Книга представляет интерес для конструкторов, технологов и специалистов в области эксплуатационной безопасности авиационной техники.


 Оглавление

Обозначения основных величин
Введение
Глава 1 К расчёту контактной нагрузки в инженерной модели заклёпочного соединения в исходном состоянии
 1.1.Основные допущения и обоснование расчетной схемы формирования напряжённого заклёпочного соединения
 1.2.Приближённый расчёт контактного давления в заклёпочном соединении в условиях плоской деформации
 1.3.Давление между потайной головкой и поверхностью зенкованного гнезда при постановке заклёпки
 1.4.Напряжённо-деформированное состояние стержня заклёпки. Теоретическая величина усилия клёпки
 1.5.Расчёт контактного давления между стержнем заклёпки и отверстием после упругой разгрузки непотайного соединения
 1.6.Упруго-пластическая разгрузка непотайного заклёпочного соединения
 1.7.Особенность расчёта упругой разгрузки потайного заклёпочного соединения
 1.8.Ослабление напряжённой посадки при упруго-пластической разгрузке потайного заклёпочного соединения
 1.9.Ослабление заклёпочного соединения обшивки крыла со стрингером после снятия технологических прижимов
 1.1 .К расчёту остаточного давления в заклёпочном соединении панели крыла в сборе с опорным стрингером с внутришовной герметизацией при снятии технологических прижимов
Глава 2 Практические методики расчёта напряжённых заклёпочных соединений и анализ достоверности полученных результатов
 2.1.Прикладной расчёт непотайного соединения при упруго-пластической вытяжке заклёпки в процессе разгрузки
 2.2.Инженерный расчёт потайного соединения при упруго-пластической деформации заклёпки в процессе разгрузки при сохранении контакта под головкой
 2.3.Анализ особенностей сжатия контура отверстия при разгрузке заклёпочного соединения
 2.4.Влияние натяга на величину контактной нагрузки в заклёпочных соединениях
 2.5.Распределение натяга по толщине пакета в напряжённом заклёпочном соединении
 2.6.Оценка достоверности расчётной модели напряжённого заклёпочного соединения
 2.7.Об определении контактной нагрузки в напряжённом соединении при неравномерном распределении натяга по толщине пакета
 2.8.Основные требования, предъявляемые к качеству элементов заклёпочных соединений
 2.9.Контроль основных параметров и качества выполнения заклёпочных соединений
Глава 3 Расчёт напряжённых соединений двухэлементными заклёпками, с эффектом памяти формы и при упрочнении отверстия
 3.1.Деформационно-силовая реализация эффекта памяти формы в интервале мартенситной неупругости
 3.2.Анализ технологических возможностей применения заклёпок из сплава ТН1К с эффектом памяти формы для соединения элементов авиационных конструкций
 3.3.Влияние упрочнения поверхности отверстия на величину контактного давления в заклёпочном соединении
 3.4.Основные конструкции составных заклёпок
 3.5.Методика расчёта контактной нагрузки для составной заклёпки
 3.6.Определение контактного давления в двухэлементных заклёпочных соединениях без конструктивной связи в результате разгрузки
 3.7.Практический пример расчёта составного заклёпочного соединения
 3.8.Расчёт остаточной контактной нагрузки в двухэлементном заклёпочном соединении с жёсткой конструктивной связью
Глава 4 Методика количественной оценки герметичности заклёпочных соединений при сплошном контакте
 4.1.Основные формулы определения расхода уплотняемой среды через напряжённое заклёпочное соединение при моделировании механического контакта эквивалентным пористым слоем
 4.2.Коэффициент проницаемости и толщина эквивалентного пористого слоя под нагрузкой
 4.3.Практический пример расчёта утечки топлива через заклёпочное соединение без приложения внешней нагрузки
 4.4.Об определении расхода уплотняемой среды через заклёпочное соединение при неравномерном натяге
 4.5.Влияние методов обработки отверстий под заклёпки на проницаемость заклёпочных соединений при сплошном контакте
 4.6.Анализ результатов испытаний образцов заклёпочных соединений в исходном состоянии
 4.7.О критерии разгерметизации заклёпочного соединения
Глава 5 К расчёту изменения контактного давления в заклёпочных соединениях при приложении внешней нагрузки
 5.1.Особенности нагружения заклёпок авиационной техники
 5.2.Ослабление напряжённой посадки в заклёпочном соединении при осевом растяжении и в результате ползучести
 5.3.Определение контактной нагрузки в заклёпочном соединении при упругом растяжении панели
 5.4.Влияние разработки отверстий на изменение контактной нагрузки в напряжённых заклёпочных соединениях
 5.5.Расчёт контактной нагрузки в заклёпочном соединении при повторно-статическом растяжении панели
 5.6.Изменение эпюры давления в поперечном сечении заклёпочного соединения при его работе на сдвиг в области упругой деформации
 5.7.Напряжённое состояние пластины при нагружении заклёпочного соединения усилием сдвига
 5.8.Распределение контактной нагрузки по длине стыка в заклёпочном соединении при передаче изгибающего момента
 5.9.Распределение внешней нагрузки в стержневой модели заклёпочного шва
Глава 6 Предельные нагрузки разгерметизации заклёпочных соединений при качественной оценке появления дефекта негерметичности
 6.1.Методика экспериментального определения усилий разгерметизации заклёпочных соединений
 6.2.Определение предельной нагрузки статического растяжения панели при качественной оценке разгерметизации заклёпочного соединения
 6.3.Экспресс-анализ напряжений разгерметизации заклёпочных соединений при повторно-статическом нагружении
 6.4.Предельные нагрузки разгерметизации заклёпочных соединений при работе на сдвиг
 6.5.Исследование фреттинг-повреждаемости образцов для прогнозирования разгерметизации заклёпочных соединений
Литература

 Введение

Напряжённые заклёпочные соединения конструктивных элементов широко используются при сборке самолётов и вертолётов, ресурс которых во многом зависит от их эксплуатационных свойств. Развитие авиационной техники показывает, что в ближайшие 10--15 лет заклёпки останутся основным видом соединений конструкций из лёгких сплавов. В последние годы их количество на изделиях непрерывно возрастает и на тяжёлых самолётах может превышать 1 млн штук. Массовое применение клёпки объясняется высокими прочностными характеристиками соединений, их технологичностью, механизацией и автоматизацией производственного процесса при сравнительно низкой стоимости.

Эксплуатационная безопасность и надёжность планёра самолёта определяется не только требуемым сопротивлением заклёпочных соединений статическим, циклическим и динамическим нагрузкам в условиях полёта, но и их герметичностью. Однако качество этих соединений с точки зрения герметичности не всегда отвечает требованиям современной техники. Так в процессе эксплуатации в результате разработки отверстий и ослабления напряжённой посадки на целом ряде силовых точек появляются видимые утечки топлива. Причинами проницаемости являются микронеровности на сопряжённых поверхностях отверстия листа и заклёпки, а иногда и потеря сплошности их контакта, что приводит к значительному увеличению расхода уплотняемой среды.

Для устранения проницаемости используется поверхностная, а также внутришовная герметизация, что приводит к заметному увеличению массы конструкции. Герметизации подвергаются практически все внутренние объёмы современных самолётов, включая топливный, пассажирский, грузовой и приборный отсеки. На долю герметизации приходится значительная часть трудоёмкости и себестоимости исполнения элементов, выходящих на внешний контур. Постепенное сокращение роли данной технологии желательно, однако такое решение не представляется возможным без установления количественной взаимосвязи между конструктивно-технологическими параметрами напряжённых заклёпочных соединений и их герметичностью.

Естественным способом обеспечения герметичности при отказе от применения герметиков остаётся напряжённая посадка заклёпки в отверстии за счёт создания радиального натяга необходимой величины по всей длине соединения и со сравнительно малой неравномерностью. В настоящее время этим требованиям удовлетворяет высокоресурсная стержневая заклёпка, достаточно отработанная в производственном отношении.

Герметичные свойства заклёпочных соединений обычно исследуются экспериментально на основе качественной оценки, когда наличие утечки определяется чувствительностью метода испытаний. При таком подходе влияние конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов на проницаемость заклёпочных швов можно оценить только на образцах. Так как количественные требования к герметичности соединений не предъявлены, то качественная оценка не позволяет увязать величину утечки топлива со снижением предельной дальности полёта, пожароопасностью или степенью загрязнения окружающей среды.

В связи с высоким уровнем контактной нагрузки и незначительным перепадом давления рабочего тела проницаемость авиационных заклёпочных соединений очень мала. Это требует высокой чувствительности методов количественного измерения массопереноса через механический контакт, что значительно усложняет проведение экспериментальных исследований. Эти методы отличаются высокой трудоёмкостью и стоимостью, а также требуют сложного технического оснащения. Результаты же определения расхода уплотняемой среды могут различаться более чем на порядок. Обычно при проведении испытаний используется метод накопления, при этом измеряется общая негерметичность отсека.

Прямое измерение утечки топлива или воздуха через исследуемый заклёпочный шов практически невозможно в условиях полёта. Проведение же наземных испытаний связано с большим объёмом работ, их технической сложностью и существенными затратами. При этом надёжное заключение о требуемой герметичности узла или агрегата в соответствии с нормами эксплуатационной безопасности можно сделать только на основании данных комплексных испытаний, имитирующих как условия полёта, так и колебание доминирующих технологических факторов при изготовлении и сборке. С появлением новых конструкций проблема экспериментальной отработки возникает заново, причём её решение усложняется из-за большого числа соединений.

Таким образом, разработка механики напряжённых заклёпочных соединений и создание на её основе инженерных методов расчёта утечек уплотняемой среды является настоятельной практической необходимостью.

Следует подчеркнуть, что количественное определение расхода рабочего тела через герметизируемые стыки узлов и соединений расчётным путём естественным образом дополняет экспериментальные методы контроля, а зачастую позволяет заметно сократить объём испытаний. В настоящее время комплексный подход приобретает всё большее значение, что актуально и для заклёпочных соединений, т. к. к ним предъявляются требования обеспечения герметичности без дополнительной герметизации.

В основе предлагаемых методик лежит вычисление расхода рабочей среды из уравнения неразрывности фильтрационного потока при ламинарном изотермическом течении в соответствии с теорией Козени--Кармана. При таком подходе необходимым условием является представление шероховатого межповерхностного пространства стыка в виде эквивалентного пористого слоя, проницаемость которого зависит от величины контактного сближения поверхностей, то есть от контактной нагрузки.

В этой связи рассмотрено решение задачи о радиальной раздаче отверстия панели с образованием вокруг него области пластической деформации, моделирующее формирование заклёпочного соединения с постоянным натягом в условиях плоской деформации. Неравномерность распределения натяга приводит к необходимости решения связанной герметологической задачи в дискретном виде для нахождения неизвестного закона падения давления уплотняемой среды по длине механического контакта.

Большое внимание уделено разработке методик расчёта ослабления напряжённой посадки из-за разгрузки заклёпочных соединений после снятия усилия клёпки. Так при определённом натяге отмечается выдавливание стержня заклёпки суживающимся контуром отверстия, то есть происходит его обратное упруго-пластическое нагружение.

Для непотайных соединений характерен отход головок от плоскости листов с образованием соответствующих просветов. Для потайных заклёпок проанализированы условия сохранения сплошного контакта между головкой и поверхностью зенкованного гнезда. Однако в этом случае после снятия прижимов и упругого восстановления деталей пакета отмечается дальнейшее растяжение заклёпки через её головки, что приводит к ещё большему падению контактного давления.

Уменьшение диаметра отверстия в результате разгрузки является чисто упругим. Однако при превышении предельного значения в поверхностном слое возникает пластическая деформация. При разработке соответствующих методик расчёта принято допущение о подавлении развития пластической деформации за счёт частичной релаксации остаточных напряжений.

Для обеспечения герметичности заклёпочных соединений рассмотрены основные требования к качеству выполнения его элементов.

Разработаны методики расчёта контактной нагрузки в комбинированных заклёпочных соединениях, при упрочнении поверхности отверстия, а также для заклёпок с памятью формы. Установлено, что применение последних в авиационной технике неэффективно по причине ограниченных размерных возможностей термомеханического возврата. Только при высокой точности обработки отверстий их можно использовать в качестве соединительных элементов конструкций из алюминиевых сплавов.

При сохранении сплошности контакта проницаемость заклёпочных соединений под действием внешней нагрузки возрастает незначительно из-за высокого уровня контактного давления. При этом величину расхода рабочего тела для сдвига и растяжения панели в силу условия неразрывности потока находят простым интегрированием по контуру отверстия.

В силу истории нагружения растяжение заклёпки после её упруго-пластической разгрузки приводит к заметному ослаблению напряжённой посадки. При длительной эксплуатации возможно ослабление заклёпок из-за ползучести, что характерно для алюминиевых сплавов. Поэтому разработана инженерная методика расчёта остаточной контактной нагрузки в соединении за счёт постепенного выдавливания стержня заклёпки давлением от посадки. Такой подход основан на теории старения при получении серии опытных кривых деформации ползучести от времени на разных уровнях нагружения.

При введении специальной функции напряжений получено решение задачи о перераспределении контактного давления в результате упругого растяжения-сжатия панели с запрессованной шайбой. Решение обобщается и на случай изменения формы и размеров отверстия вследствие его разработки при циклическом нагружении, что приводит к заметному снижению уровня контактного давления.

При качественной оценке разгерметизации заклёпочного соединения по моменту образования сквозного дефекта негерметичности отмечается хорошее соответствие расчётных и экспериментальных данных по величине предельной нагрузки. Хотя пластическая деформация участков отверстия и начинается значительно раньше, этот процесс подавляется за счёт частичной релаксации остаточных напряжений.

В случае работы заклёпки на сдвиг плоское решение контактной задачи в упругой постановке получают в виде системы интегральных уравнений совместности перемещений и равновесия. Определены предельные уровни внешней нагрузки разгерметизации заклёпки, а также начала пластической деформации участка отверстия в области разгрузки поперечного сечения соединения. На базе стержневых моделей предложены методики расчёта распределения давления по толщине пакета при приложении усилия сдвига с учётом изгибающего момента, а также внешней нагрузки в силовых точках заклёпочного шва.

Возможности технологического моделирования позволили теоретически оценить влияние на герметичность заклёпочных соединений чистоты обработки поверхности отверстия, величины и неравномерности натяга. На основе качественной оценки приведены также результаты соответствующих экспериментальных исследований разгерметизации образцов соединений при проведении испытаний гидростатическим методом.

Циклическое растяжение стержня заклёпки вызывает его относительные смещения в отверстии. Если амплитуда попадает в опасный диапазон, то в стыке развиваются благоприятные условия для фреттинга. Лавинообразный процесс разрушения начинается после определённой наработки (латентного периода) и приводит к образованию дефектов негерметичности по всей поверхности, то есть к резкому увеличению утечек рабочей среды.

С этой целью проведены экспериментальные исследования живучести (фреттингостойкости) имитаторов заклёпочных соединений до появления коррозионно-механических повреждений от величины амплитуды смещений и уровня давления при испытаниях на воздухе и в керосине.


 Об авторе

Сергей Виленович ШИШКИН

Доктор технических наук. Работал в Московском авиационном технологическом институте и в Институте машиноведения Российской академии наук. Автор более 150 научных работ, в том числе 5 монографий, а также ряда изобретений. Области научных интересов -- теория конструкционно-контактных задач, машиноведение, теоретическая и прикладная герметология, технология производства сплавов с памятью формы, а также разработка интеллектуальных конструкций на этом принципе и методов их расчета.

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце