Wybrane zagadnienia trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcji lotniczych.

• Autorzy: Kłysz S.

Warianty tytułu

EN

Some problems of aircraft structural components fatigue durability.

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Dokonano przeglądu współcześnie rozwijanych metod badań zmęczeniowych i stosowanych do analiz trwałości elementów konstrukcji lotniczych. Podano ogólną charakterystykę zagadnień wytrzymałości zmęczeniowej, a w szczególności algorytmy postępowania przy ocenie trwałości zainicjowania pęknięć zmęczeniowych i trwałości propagacyjnej. Dla przykładu przedstawiono wyniki analiz trwałościowych dla łopatki sprężarki silnika lotniczego i połączenia skrzydło-kadłub samolotu.

EN

The overview of present methods of fatigue tests and those used to analyse durability of aircraft structural components has been made. A general description of fatigue strength issues has been offered. It was indicate that structural components durability questions are interdisciplinary problem. It links many scientific fields of knowledge - from mechanics, physics and mathematics to material engineering, process engineering and logistics. Many numerical techniques (as finite elements method, neuron net method), models and methods are use and develop to solve strength and operating endurance problems. In engineering practice standard load sequences for strength and fatigue analysis are use. In particular, in this paper the algorithms of how to proceeds to estimate endurance strength to crack initiation and under crack propagation condition have been described. First one is based on cyclic strain curve, Manson-Coffin relationship for tested material and requires adequate damage counting method selection. For each cycle of load spectrum there is calculated local strain range and the corresponding number of cycles to failure is estimated. Then the damage caused by this cycle is calculated. Sum of partial damages gives durability to crack initiation. Second one is connected with well estimated propagation law and retardation model parameters. Crack increasing is calculated for each load cycle, taking into account load sequence and retardation effects. Both algorithms require real material characteristics and load spectrum data. Some results of these analyses for jet-engine compressor blade and aircraft wing joint have been given as examples. The influence of different load spectrum on fatigue durability has been analyzed. In particular, acing and instability effects for compressor blades and pilotage technique for aircraft wing joint have been considered.

Słowa kluczowe

PL

trwałość zmęczeniowa; elementy konstrukcji lotniczych; analiza trwałościowa

EN

fatigue durability; elements of aircraft structures; durability analysis

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Zagadnienia Eksploatacji Maszyn
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 38, nr 2
• Strony: 117--137
• Opis fizyczny: Bibliogr. 68 poz.

Twórcy

autor

Kłysz S.

• Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Zakład Niezawodności i Bezpieczeństwa Techniki Lotniczej, ul. Księcia Bolesława 6, 01-494 Warszawa, tel. [phone],

Bibliografia

• [1] Schütz W.: A history of fatigue. Engng Fract. Mech. Vol.54, No. 2, 1996, pp.263-300.
• [2] Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Vol. 24, 1993, pp. 203-232.
• [3] Mann J.,Y.: Bibliography on the Fatigue of Materials, Components and Structures. 1838- 1950, Vol.l (1970), 1951-1960, Vol. 2, Pergamon Press, 1978.
• [4] Lüling H.: Von den Anfängen der Materialermüdung bei Metallen. Ferrum 56, 1985.
• [5] Paris C.P.: Fracture mechanics and fatigue: a historical perspective. Fatigue & Fracture Engng Materials & Structures, Vol. 21, No. 5, 1998, pp. 535-540.
• [6] Smith R.A.: Fatigue crack growth - 30 years of progress. Pergamon Press, 1986
• [7] Kocańda S.: Zmęczeniowe pękanie metali. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1985.
• [8] Ashby M.F., Jones D.R.H.: Materiały inżynierskie. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995.
• [9] Neimitz A.: Stan obecny i kierunki rozwoju mechaniki pękania. XVI Sympozjum Zmęczenia i Mechaniki Pękania Materiałów i Konstrukcji, Bydgoszcz-Pieczyska 1996, ss.135-149.
• [10] Schijve J., Hoeymakes A.H.W.: Fatigue crack growth in lugs and the stress intensity factor. Fatigue Engng Mater. Struct. No.1, 1971, pp. 185-201.
• [11] Schijve J., Jacobs F.A., Tromp P.J.: Flight simulation test on notched elements. NLR-Report TR 74033, 1974.
• [12] Schijve J.: Fatigue of aircraft materials and structures. Int. J. Fatigue, Vol.16, No.1, 1994, pp. 22-32.
• [13] Yang J.N.: Application of reliability methods to fatigue, quality assurance and maintenance. Proceedings 6th Int.Conf. on Structural Safety and Reliability, Vol. 1, Innsbruck 1993, pp. 1-18.
• [14] Durability and damage tolerance in aircraft design. The Proceedings of the 13th Symposium of the International Committee on Aeronautical Fatigue, Pisa 1985.
• [15] Impact damage Tolerance of structure. AGARD Conference Proceedings No. 186, 41st Meeting of the Structures and Materials Panel, Ankara 1975.
• [16] O’Donoghue P.E., Atluri S.N., Pipkins D.S.: Computational strategies for fatigue crack growth in three dimensions with application to aircraft components. Engng Fract. Mech. Vol.52, No.1, 1995, pp. 51-64.
• [17] Atluri S.N.: Computational methods in the mechanics of fracture. Computational methods in mechanics, Vol.2, North Holland 1986.
• [18] Mishnaevsky L.L. jr: Methods of the theory of complex systems in modeling of fracture: a brief review. Engng Fracture Mech. Vol.56, No.1, 1997, pp. 47-56.
• [19] Tryon R.G., Cruse T.A., Mahadevan S.: Development o f a reliability-based fatigue life model for gas turbine engine structures. Engng Fracture Mech. Vol.53, No.5, 1996, pp. 807-828.
• [20] Park J.H., Singh R., Pyo C.R., Atluri S.N.: Integrity of aircraft structural elements with multi-site fatigue damage. Engng Fracture Mech. Vol.51, No.3, 1995, pp. 361-380.
• [21] Description of fighter aircraft loading standard for fatigue evaluation. Joint Report NLR, IABG, LBF, F&D, 1976.
• [22] Fatigue Crack Growth Computer Program NASA/FLAGRO. JSC-22267 NASA, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, TX, 1986.
• [23] McHenry H.I., Hensley E.K.: Evaluation of damage tolerance in aircraft structures. J. Aircraft, Vol. 12, No.2,1976, pp. 93-99.
• [24] Mufti A.A., Zamani N.G., Porter J.F., Taheri F., Russell L.T.: Prediction of fatigue crack propagation based on finite element fracture analysis. Int. Conf. Finite Elements in Computational Mechanics, Bombay 1985, pp. 943-954.
• [25] Practical application of finite element analysis to aircraft structural design. AGARD Lecture Series No. 147, Structures and Materials Panel and the Consultant and Exchange Programme of AGARD, Lisbon 1986.
• [26] Lee K.H., Fenner R.T.: A quadratic formulation for two-dimensional elastoplastic analysis using the boundary integral equation method. J. of Strain Analysis, Vol. 21, No. 3, 1986, pp. 159-175.
• [27] Application of MESH generation to complex 3-D configuration. AGARD Conference Proceedings No. 464, Specialist Meeting of the Fluid Dynamic Panel, Loen 1989.
• [28] Putchkov I.V., Temis Y.M., Dowson A.L., Damri D.: Development o f a finite element based strain accumulation model for the prediction of fatigue lives in highly stressed Ti components. Int. J. Fatigue, Vol. 17, No.6, 1995, pp. 385-398.
• [29] Szala J.: Hipotezy sumowania uszkodzeń zmęczeniowych. Wyd. Uczelniane Akademii Rolniczo-Technicznej, Bydgoszcz 1998.
• [30] Gołoś K.: Crack growth propagation model for cyclic loading. Fifth Int. Conf. Mech. Behaviour of Materials, Beijing, China 1987, pp. 567-571.
• [31] Gołoś К.: The fatigue criterion with mean stress effect on failure. Mater.Sci.Engng, Vol. Ill, 1989, pp. 63-69.
• [32] Gołoś К.: Analysis of strain based multiaxial fatigue criteria. XVI Sympozjum Zmęczenia i Mechaniki Pękania Materiałów i Konstrukcji, Bydgoszcz-Pieczyska 1996, ss. 71-74.
• [33] Seweryn A., Mróz Z.: Kryterium rozwoju uszkodzeń i pękania z uwzględnieniem efektu mikrostruktury materiału. XVI Sympozjum Zmęczenia i Mechaniki Pękania Materiałów i Konstrukcji, Bydgoszcz-Pieczyska 1996, ss. 183-186.
• [34] Skibicki D., Sempruch J.: Systematyzacja kryteriów wytrzymałości zmęczeniowej w warunkach złożonego stanu obciążenia. XVI Sympozjum Zmęczenia i Mechaniki Pękania Materiałów i Konstrukcji, Bydgoszcz-Pieczyska 1996, ss. 195-199.
• [35] Macha E.: Generalized strain fatigue criterion for materials under multiaxial random loading. Fatigue Under Biaxial and Multiaxial Loading, ESIS10 (edited by K. Kussmaul, D.McDiarmid, D.Socie), Mech. Engng Publ., London 1991, pp. 65-80.
• [36] Neimitz A.: Mechanika pękania. PWN, 1998.
• [37] Francois D.: Guidelines for terminology and nomenclature in the field of structural integrity. Fatigue Fracture Engng Mater. Struct., Vol. 19, No. 12, 1996, pp. 1515-1533.
• [38] Naumenko V.P.: On basic definition of the unified fracture mechanics terminology. Strength of Materials, No. 1, 1996, pp. 17-29.
• [39] Newman J.C. jr: A crack closure model for predicting fatigue crack growth under aircraft spectrum loading. Methods and models for predicting fatigue crack growth under random loading, ASTM STP 748, 1981, pp. 53-84.
• [40] Newman J.C. jr: Fatigue crack growth analysis of structures (FASTRAN) - a closure model. Computer Software Management and Informatics Center (COSMIC), Univ. of Georgia, Athens, GA 1984.
• [41] Newman J.C. jr: FASTRAN II - A fatigue crack growth structures analysis program. NASA TN 104159, Langley Res. Centre, Hampton, VA 1992.
• [42] Jaźwiński J., Sikorski M.: Metody badań i modele eksploatacji techniki lotniczej. Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej, Praca zbiorowa pod red. J. Lewitowicza, J. Borgonia i W. Ząbkowicza, Wyd. ITWL, t. 2, 1993, ss. 273-316.
• [43] Jaźwiński J.: Niezawodność techniki lotniczej. Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej, Praca zbiorowa pod red. J. Lewitowicza, J. Borgonia i W. Ząbkowicza, Wyd. ITWL, t. 1, 1993, ss. 55-80.
• [44] Borgoń J.: Modele matematyczne bezpieczeństwa lotu. Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej, Praca zbiorowa pod red. J. Lewitowicza, J. Borgonia i W. Ząbkowicza, Wyd. ITWL, t. 1, 1993, ss. 37-54.
• [45] Żurek J.: Współczesne systemy zbierania informacji eksploatacyjnych w lotniczych systemach transportowych. Konwersatorium Inżynierów Eksploatacji, Ameliówka 1996.
• [46] Klimaszewski S.: Koncepcja systemu ciągłej oceny trwałości lotniczych silników turbinowych. Materiały XXVI Zimowej Szkoły Niezawodności, Szczyrk 1998, ss. 254-259.
• [47] Richmond M.J., Koning A.U.: Definition o f a strip yield model for the „ESACRACK" software for damage tolerance analysis. NLR CR 92054 L, Nat. Aerospace Lab., Amsterdam 1992.
• [48] Cook R., Wood P.C., Jenkins S., Matthew D., Irving P, Austen I., Buller R.: The development o f a rubust crack growth model for rotorcraft metallic structures. RTO Meeting Proceedings 24 AVT Panel, Application of damage tolerance principles for improved air-worthiness of rotorcraft, Corfu, Greece, 21-22 April 1999, pp. З-1÷З-11.
• [49] Kłysz S.: Modelowanie rozwoju pęknięć zmęczeniowych w strefie koncentracji naprężeń. Rozprawa doktorska, WAT, Warszawa 1991.
• [50] Klysz S.: Modelowanie niektórych własności materiałów przy cyklicznych obciążeniach. Biuletyn WAT, Nr 5-6, 1995, ss. 134-147.
• [51] Bukowski L., Kłysz S.: Modelowy opis rozwoju pęknięć zmęczeniowych na przykładzie stopu PA7. Archiwum Nauki o Materiałach, 1.15, Nr 1/2, 1994, ss. 55-71.
• [52] Kłysz S.: Analiza rozwoju pęknięć zmęczeniowych w stali 18G2A i jego opis modelowy. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, Zeszyt 2/118, 1999, ss. 223-234.
• [53] Kłysz S.: Modyfikacja modelu opóźnień Wheelera rozwoju pęknięć zmęczeniowych. XVII Sympozjum nt. Zmęczenie Materiałów i Konstrukcji, Pieczyska 1998, ss. 153-158. Przegląd Mechaniczny, Nr 16, 1998, ss.11-21.
• [54] Kłysz S.: Nowe ujęcie modelu opóźnień Wheelera jako bazy uniwersalnego opisu propagacji pęknięć zmęczeniowych. Biuletyn WAT, Nr 12, 1998, ss. 23-38.
• [55] Kłysz S.: Szacowanie trwałości wybranych materiałów i elementów konstrukcji lotniczych w zakresie rozwoju pęknięć zmęczeniowych. Prace Naukowe ITWL, Zeszyt Nr 5, 1999, ss. 1-180.
• [56] Sobczykiewicz W. i inni: Metoda szacowania okresów przeglądowych silnie obciążonych węzłów konstrukcji stalowej na przykładzie połączenia skrzydło-kadłub wybranego samolotu, Etap II i Etap III. Praca naukowo-badawcza Politechniki Warszawskiej Nr 121/501/019/4, 1983.
• [57] Bukowski L., Kłysz S., Krzesiński G.: Obliczanie czasu inicjacji pęknięcia zmęczeniowego. AERO Technika Lotnicza, Nr 5, 1992, ss. I-II.
• [58] Kłysz S.: Rozwój pęknięć zmęczeniowych w materiałach lotniczych i stali konstrukcyjnej z uwzględnieniem przeciążeń. Prace Naukowe ITWL, Zeszyt Nr 12, 2001, ss. 1-151.
• [59] Kłysz S.: Wpływ przeciążeń na rozwój pęknięć zmęczeniowych w wybranych materiałach lotniczych. Prace Naukowe ITWL, Zeszyt Nr 15, 2002, ss. 1-147.
• [60] Krzesiński G. i inni.: Statyczna i dynamiczna analiza wytrzymałościowa łopatek I stopnia silnika S03 z uwzględnieniem pęknięć zmęczeniowych, Etap II. Sprawozdanie ITWL nr 2478/III, Warszawa, 1994.
• [61] Sprawozdanie Nr RKB-2/17,51/42/87 z pomiaru naprężeń dynamicznych w łopatkach i tarczy wirnika sprężarki I stopnia silnika SO-3 Nr 37174120. Opracowanie WSK Rzeszów, 1987.
• [62] Bukowski L., Kłysz S.: Pękanie zmęczeniowe łopatek lotniczych silników turbinowych. Sprawozdanie ITWL nr 11018/1, Warszawa, 1994.
• [63] Kłysz S.: Analiza inicjacji pęknięć zmęczeniowych w łopatce sprężarki lotniczego silnika turbinowego Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej, t. 4. Wydawnictwo ITWL, 1999, ss. 197-207.
• [64] Hoeppner D.W.: Future technology requirements (related to defects and quantative material bahaviour to aid in implementation of damage tolerance for design of engine structures), AGARD Report, No. 769.
• [65] Bukowski L., Kłysz S.: Zmęczenie konstrukcji lotniczych na tle 40-letniej działalności ekspertyzowej. Biuletyn WAT Nr 3, 1993, ss. 93-126.
• [66] Bukowski L., Kłysz S., Sobczykiewicz W.: Pomiary w locie a szacowanie trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcji lotniczych. I Konferencja „Metody i technika badań statków powietrznych w locie”, Mrągowo 1994, ss. 37^18.
• [67] Bukowski L., Kłysz S.: Przykłady awarii konstrukcji lotniczych - belka główna skrzydeł samolotu. Tajniki wytrzymałości (2). Aero Business Nr 2, 1994, ss. 21.
• [68] Liu A.F.: Stress intensity factor for a comer flow. Engng Fracture Mech. Vol. 4, 1974.