Ускоренная оценка сопротивления многоцикловой усталости типовых элементов авиадвигателей из ПКМ методом инфракрасной термографии
Автор: Данил Глебович Соломонов
Организация: ПНИПУ
Рис. 1. Результат ускоренных усталостных испытаний
Использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкции ответственных узлов газотурбинного двигателя требует наличия экспериментальных данных об их усталостной прочности. Существует методика ускоренной оценки предела выносливости стандартных образцов из металла IRT методом, которая позволяет значительно сократить трудоемкость усталостных испытаний на этапе проектирования новой конструкции [1-3]. Целью данной работы является распространение данной методики на конструктивно-подобные элементы из ПКМ.
Объектом исследования в настоящей работе является типовые конструктивные элементы авиационных конструкций из ПКМ. В процессе исследования первая группа образцов подвергаются циклическому растяжению на электрорезонансной испытательной машине Testronic-50, вторая группа образцов испытывается на изгиб на вибростенде. Типичным механизмом разрушения образцов всех групп является расслоения.
Методика экспресс-оценки предела выносливости образцов опирается на использование IRT-метода. Этот метод предполагает блочное циклическое нагружение исследуемого образца с регистрацией температуры на его поверхности [3-4]. В процессе исследования было выявлено, что наибольший саморазогрев происходит в области концентрации напряжений, которая соответствует области накопления повреждений. В каждом блоке нагружения температура образца вследствие саморазогрева увеличивается, достигая некоторого стабильного для данной нагрузки значения температуры ΔTstab.
В блоках с амплитудой нагрузки, превышающей предел выносливости, стабилизационное значение ΔTstab и скорость возрастания температуры в начале блока резко увеличиваются. Этот эффект связан с активизацией тепловыделения при появлении усталостных повреждений. Согласно идее IRT-метода, описанной в работах [1,2], полученные зависимости могут быть аппроксимированы двумя прямыми, пересечение которых соответствует пределу выносливости (рис.1).
В результате данного исследования отработана ускоренная методика оценки предела выносливости для типовой конструкции из ПКМ. Трудоемкость данных испытаний ниже, чем стандартных усталостных испытаний; значительно меньше количество испытываемых образцов (в пределе - только один).
1. Montesano J., Fawaz Z., Bougherara H. Use of infrared thermography to investigate the fatigue behavior of a carbon fiber reinforced polymer composite // Composite Structures. – 2013. – 97. – pp. 76–83
2. De Giorgi, M., Nobile, R., Palano, F. kf Evaluation in GFRP Composites by Thermography. Appl. Sci. 2021, 11, 5200. https://doi.org/ 10.3390/app11115200
3. Соломонов Д.Г., Нихамкин М.Ш., Семенов С.В., Торопицина А.В. Тепловое состояние композитных образцов с ребрами жесткости при высокочастотном циклическом нагружении//Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. №76 (2024). С.41-50.
4. Соломонов Д.Г., Нихамкин М.Ш., Ускоренная оценка усталостной прочности конструктивных элементов из полимерных композиционных материалов// Конструкции из композиционных материалов № 2, 2024. С. 3-8.
