Fáradtság teszt

A fáradtságvizsgálat a mechanikai vizsgálat egyik formája, amelyet úgy hajtanak végre, hogy ciklikus terhelést alkalmaznak a vizsgálati mintára vagy szerkezetre. Ezeket a teszteket a fáradtság erősségére , a repedések növekedésére, a kritikus helyek azonosítására vagy a fáradtságra hajlamos szerkezet biztonságának bemutatására használják. A fáradtságvizsgálatot számos alkatrészen alkalmazzák, a mintáktól a teljes méretű tesztekig, például gépjárműveken és repülőgépeken .

Fárasztóvizsgálat próbadarabokból általában végezzük szakító gépek alkalmazni képes változó ciklikus terhelés nagy amplitúdójú. Az állandó amplitúdójú teszteket egyszerűbb rezgőgépek is alkalmazhatják. A minta fáradási ideje a ciklusok száma, amely szükséges ahhoz, hogy meghibásodjon. Ezeket az adatokat felhasználhatjuk stressz vagy alakváltozás és életgörbék létrehozására. A repedések növekedési üteme egy vizsgálati mintában mérhető akár a vizsgálat során, akár azt követően, tönkremenő fácies használatával . A mintákon végzett vizsgálatokat a tesztkamrákban is el lehet végezni, ahol a hőmérséklet, páratartalom és a repedések növekedését befolyásoló környezet szabályozható.

A teljes körű vizsgálatok egyedi mérete és formája miatt speciális vizsgálóállomásokat kell kialakítani, amelyek egy sor hidraulikus vagy elektromos hajtóművet terhelnek . A működtetők célja, hogy megismételjék a nagy terheléseket, amelyeket egy olyan szerkezet hajtott végre, amely repülőgépek esetén manőverekből, széllökésekből, rezgésekből és föld-levegő-föld terhelésekből állhat . Reprezentatív mintát vagy terhelési blokkot ismételten alkalmaznak, amíg a szerkezet élettartama be nem mutatkozik, vagy meghibásodások fordulnak elő és javításra szorulnak. Olyan eszközöket, mint erőérzékelők , feszültségmérők és elmozdulásérzékelők vannak felszerelve a szerkezetre a megfelelő terhelés biztosítása érdekében. A szerkezet roncsolásmentes vizsgálatát rendszeresen végezzük a kritikus feszültségkoncentrációk , például lyukak és szerelvények körül. Ezeket azért végzik el, hogy meghatározzák, mikor észleltek repedéseket, és biztosítsák, hogy az esetleges repedések ne befolyásolják a vizsgált szerkezet egyéb területeit. Mivel nem minden terhelés alkalmazható, a kiegyensúlyozatlan szerkezeti terhelést általában egy nem kritikus szerkezeten, például a futóműön keresztül érik a padlón.

A légialkalmassági előírások általában megkövetelik, hogy a tanúsítás előtt fáradtságvizsgálatot végezzenek nagy repülőgépeken, annak életciklusának meghatározása érdekében. A kisebb repülőgépek számításokkal bizonyíthatják a biztonságot, bár általában nagyobb biztonsági vagy szórási együtthatókat alkalmaznak a további bizonytalanság miatt.

Vizsgálati minták

A fáradtságvizsgálat hasznos információ megszerzéséhez az anyagokról, például a fáradási repedés növekedési sebességéről. Ezeket az adatokat a repedések növekedési egyenleteivel lehet kombinálni a fáradtság élettartamának előrejelzésére. Számunkra ez az arány képest a tartomány feszültségintenzitás tényező , ahol a minimális feszültség intenzitási tényező megegyezik a legkisebb terhelés, és úgy vesszük, hogy nulla , és a feszültség arány . Szabványosított teszteket dolgoztak ki az ismételhetőség biztosítására és a feszültségintenzitási tényező könnyű meghatározására, de más formák is használhatók, feltéve, hogy a minta elég nagy ahhoz, hogy túlnyomórészt rugalmas legyen. dNak nek/dNEM{\ displaystyle da / dN} ΔK=Kmax-Kmin{\ displaystyle \ Delta K = K _ {\ max} -K _ {\ min}}Kmin{\ displaystyle K _ {\ min}}R>0{\ displaystyle R> 0}R≤0{\ displaystyle R \ leq 0}R{\ displaystyle R}R=Kmin/Kmax{\ displaystyle R = K _ {\ min} / K _ {\ max}}

A minta alakja

Különböző mintákat lehet használni, de a leggyakoribbak:

• A Compact Tension (CT) minta . A kompakt mintában a lehető legkevesebb anyagot használják fel a repedések növekedésének mérésére. Általában olyan csapokat használnak, amelyek valamivel kisebbek, mint a mintán lévő lyukak a terhelésekhez. Ez a módszer azonban megakadályozza a nulla közeli terhelések pontos alkalmazását, ezért a minta nem ajánlott negatív terhelések alkalmazása esetén.
• A Center Crack Tensile (CCT) kémcső . A középső vagy közepes repedésű minta egy lapból vagy egy lapos rúdból áll, amely két furatot tartalmaz a bilincsek rögzítésére.
• A Single Edge Notch Tension (SENT) minta . Az egyoldali bevágású minta a kompakt minta hosszúkás változata.

Hangszerek

A próbatestek megfigyelésére általában a következő műszereket használják:

• A nyúlásmérőket a repedéshegy körüli terhelések vagy feszültségmezők megfigyelésére használják. Helyezhetők a repedés útja alá vagy egy kompakt minta hátoldalára.
• Egy nyúlásmérő vagy elmozdulás szelvény mérésére használható az elmozdulás a nyílás a hegyét a repedés, hogy a szája a repedés. Ez az érték felhasználható a repedés hosszától függően változó feszültség intenzitási tényező meghatározására. Az elmozdulásmérőkkel meg lehet mérni a minta merevségét és helyzetét a terhelési ciklus során, amikor az ellentétes repedésfelületek érintkeznek, a repedés bezárásának mérésére.
• Az alkalmazott tesztterheléseket általában a mérőcellával ellátott tesztgépen figyelik.
• A repedéscsúcs helyzetének mérésére mobil optikai mikroszkóp használható.

Teljes körű fáradtságvizsgálatok

A teljes körű tesztek a következőkre használhatók:

1. Érvényesítse a repülőgép-karbantartási programot.
2. Mutassa be a fáradtságkárosodásra hajlamos szerkezet biztonságosságát.
3. Fáradtságadatok generálása.
4. Érvényesítse a repedések iniciálására és a növekedési mintára vonatkozó elvárásokat.
5. Határozza meg a kritikus helyeket.
6. Ellenőrizze a repülőgép tervezéséhez és gyártásához használt szoftvert.

A fáradtság tesztelésével azt is meg lehet határozni, hogy a fáradtság károsodása milyen mértékben okozhat problémát.

Tesztszerkezet

A tanúsítás megköveteli a tesztstruktúra által átvitt terhelések teljes történetének ismeretét és jelentését. A statikus szilárdságvizsgálathoz már használt struktúrák használata problémákat okozhat a túlterhelések alkalmazásakor, és késleltetheti a fáradtsági repedések növekedésének sebességét.

A tesztterheléseket rendszerint egy adatgyűjtő rendszerrel rögzítik, amely a tesztszerkezetre szerelt műszerekből származó több ezer bemenet adatait gyűjti össze, beleértve: nyúlásmérőket, manométereket, dinamométereket, elmozdulás -érzékelőket stb.

A fáradtság repedései általában a nagy stressznek kitett területeken kezdődnek, például a stressz koncentrációjában vagy az anyag és a gyártás hibáiban. Fontos, hogy a vizsgálati szerkezet minden jellemzőjét reprezentatív legyen.

A repedések a következő forrásokból származhatnak:

• Fretting , általában a magas ciklusszámmal rendelkező dinamikus terhelések miatt.
• Helytelenül fúrt lyukak vagy helytelen méretű furatok a szorosan illeszkedő rögzítőkhöz
• Anyagok és hibák, például törött zárványok kezelése .
• Feszültségek, például lyukak és menetek koncentrációja.
• Karcolások, ütéskárok.

Töltési sorrend

Egy reprezentatív terhelési blokkot többször alkalmaznak mindaddig, amíg a szerkezet élettartama be nem mutatkozik, vagy meghibásodások jelentkeznek és meg kell javítani. A szekvencia méretét úgy választják meg, hogy a valószínűleg lassító hatásokat okozó maximális terheléseket elég gyakran, általában a teszt teljes időtartama alatt legalább tízszer alkalmazzák, hogy ne legyenek „szekvencia effektusok”.

A betöltési sorrendet általában szűrik, hogy kiküszöböljék az apró fáradtságmentes károsodási ciklusokat, amelyek alkalmazása túl sokáig tartana. Kétféle szűrést használnak általában:

1. A holt sáv szűrése kiküszöböli azokat a kis ciklusokat, amelyek teljes egészében egy bizonyos tartományba esnek, például +/-  3 g .
2. az emelkedés és zuhanás szűrése kiküszöböli azokat a kis ciklusokat, amelyek egy bizonyos tartomány alatt vannak, például  1 g .

A tesztfrekvencia általában néhány Hz -re korlátozódik, és el kell kerülni a szerkezet rezonanciafrekvenciáját.

Próbapad

Minden elemet, amely nem része a tesztszerkezetnek vagy műszereknek, tesztállványoknak nevezzük. A következő komponenseket általában teljes körű fáradtságvizsgálatokhoz használják.

Annak érdekében, hogy a megfelelő terheléseket a szerkezet különböző részeire terhelhessük, a Whiffletrees nevű mechanizmust használjuk a terhelések elosztására a terhelő működtető szerkezetről a vizsgált szerkezetre. A központi ponton alkalmazott terhelések csapok által összekötött gerendák sorozatán oszlanak el, hogy ismert terheléseket hozzanak létre a végén. Mindegyik vége általában a szerkezethez ragasztott párnához van rögzítve, mint egy repülőgép szárnya. Tipikusan több száz puffert alkalmaznak a szárnyon észlelt aerodinamikai és tehetetlenségi terhelések megismétlésére. Mivel a whiffletree feszítő kötésekből áll, nem képes nyomó terheléseket kifejteni. Ezért általában független sípokat használnak a szárnyfáradási tesztek felső és alsó oldalán.

Hidraulikus, elektromágneses vagy pneumatikus hajtóműveket alkalmaznak a terheléseknek a szerkezetre történő terhelésére, akár közvetlenül, akár a fákon keresztül a terhelések elosztására. Az erőátalakítót a hajtóművel egy vonalba helyezzük, és a töltésvezérlő a hajtómű terhelésének szabályozására használja . Ha sok működtetőelemet használnak egy rugalmas tesztszerkezeten, keresztkölcsönhatás léphet fel a különböző működtetők között. A töltésszabályozónak biztosítania kell, hogy a kölcsönhatás miatt a parazita terhelési ciklusokat ne alkalmazzák a szerkezetre.

Reakciókorlátozások is alkalmazhatók. Sok terhelést, például az aerodinamikai és belső erőket olyan belső erők szabályozzák, amelyek nincsenek jelen a fáradtságvizsgálat során. Ezért a terheléseket eltávolítják az e szerkezetből, a nem kritikus pontokból, például a futóműből, vagy a törzs rögzítőin keresztül.

Az elmozdulásérzékelővel mérhető a szerkezet kritikus helyeinek elmozdulása. Ezen elmozdulások határértékei felhasználhatók a szerkezet meghibásodásának jelzésére és a vizsgálat automatikus leállítására.

Végül használhatunk egy nem reprezentatív struktúrát. Bizonyos tesztstruktúrák drágák lehetnek, vagy nem érhetők el, és általában a tesztstruktúrán helyettesítik őket egy ezzel egyenértékű szerkezettel. A működtető rögzítési pontjaihoz közeli szerkezet irreális terhelést tapasztalhat, ami ezeket a területeket nem reprezentatívvá teszi.

Hangszerek

A fáradtság tesztelésére általában a következő műszereket használják:

• feszültségmérő
• gyorsulásmérők
• elmozdulás érzékelő
• erőérzékelő
• repedésérzékelő
• szerkezeti állapotfigyelő szenzorok

Fontos, hogy a vizsgálati szerkezetre feszültségmérőket szereljenek, amelyeket a flottában lévő repülőgépek megfigyelésére is használnak. Ez lehetővé teszi, hogy a vizsgálati cikken ugyanazokat a kárszámításokat végezzék el, mint amelyeket a flottában lévő repülőgépek fáradtsági idejének nyomon követésére használnak. Ez az elsődleges eszköz annak biztosítására, hogy a flottában lévő repülőgépek ne lépjék túl a fáradtságvizsgálat által meghatározott élettartamot.

Ellenőrzések

Az ellenőrzések a fáradtságvizsgálat részét képezik. Annak ismerete, hogy mikor észlelhető repedés történik, fontos az egyes alkatrészek élettartamának meghatározása mellett a környező szerkezet károsodásának minimalizálása és a szomszédos szerkezet tanúsítását minimálisan befolyásoló javítások kidolgozása mellett. A tesztelés során roncsolásmentes ellenőrzéseket lehet végezni, a teszt végén pedig roncsolásos teszteket lehet használni annak biztosítására, hogy a szerkezet megtartsa teherbírását.

Tanúsítvány

A tesztek értelmezése és tanúsítása magában foglalja a fáradtságvizsgálat eredményeinek használatát egy szerkezet élettartamának és biztonságos működésének igazolására. A tanúsítás célja annak biztosítása, hogy a szolgáltatás meghibásodásának valószínűsége elég alacsony legyen. Előfordulhat, hogy a következő tényezőket kell figyelembe venni:

• kísérletek száma
• a vizsgálati szerkezet és az alkalmazott terhelés szimmetriája
• javítások telepítése és tanúsítása
• diszperziós tényezők
• az anyagok és a gyártási folyamatok változékonysága
• környezet
• kritikusság

A légialkalmassági előírások általában megkövetelik, hogy a repülőgép akkor is biztonságos maradjon, ha a szerkezet a fáradási repedések miatt romlott állapotban van.

Nevezetes fáradtság tesztek

• F-111 hidegálló terhelési tesztek . Ezek a vizsgálatok abból álltak, hogy statikus határterhelést alkalmaztak a törés kritikus méretének csökkentése érdekében lehűtött repülőgépekre. A teszten való megfelelés azt jelentette, hogy nem voltak nagy fáradási repedések. Amikor repedések voltak, a szárnyak katasztrofális kudarcot szenvedtek.
• A Nemzetközi Strukturális Fáradtság Tesztprogram (IFOSTP) Ausztrália, Kanada és az Egyesült Államok közös projektje volt az F / A-18 Hornet fáradtságának tesztelésére . Az ausztrál vizsgálat vettek igénybe elektrodinamikus rázógép és pneumatikus légzsák szimulálni magas állásszöggel büfé terhelés a farok .
• De Havilland Comet katasztrofális meghibásodások sorozatát szenvedte el, amelyek végül a fáradtság tesztjei ellenére kimerültségnek bizonyultak.
• A fáradtsági élet diszperziójának meghatározására 110 Mustang szárnyszerelvényen végeztek fáradási teszteket .
• A No Highway című regény és a No Highway in the Sky című film egy repülőgép törzsének kitalált fáradtságvizsgálatáról szólt.
• Fáradtságvizsgálatokat is alkalmaztak olyan fáradási repedések kialakítására, amelyek túl kicsik ahhoz, hogy kimutassák őket.

Hivatkozások

1. "  Tesztprogram és tanúsítás  " (hozzáférés : 2020. február 27. )
2. "  High-Rate Test Systems  " , MTS (hozzáférés : 2019. június 26. )
3. "  FAA PART 23 - Légialkalmassági előírások: normál kategóriájú repülőgépek  " (hozzáférés : 2019. június 26. )
4. ASTM bizottság E08.06 , E647 Szabványos vizsgálati eljárás mérése Fáradtság Crack növekedési ütem , ASTM International ( n o  E647-13)2013
5. "  Single Edge Notch Tension Testing  ", NIST (hozzáférés : 2019. június 26. )
6. Newman, Yamada és James, „A  hátlap megterhelésének megfelelőségi viszonya kompakt mintákhoz repedés hosszúságú széles tartományban  ”, Engineering Fracture Mechanics , vol.  78,2011, P.  2707–2711 ( DOI  10.1016 / j.engfracmech.2011.07.001 , online olvasás )
7. Clark, Yost és Young: „  A RAAF MB326H flotta helyreállítása; az elöregedő trénerflotta története  ”, Fáradtság az új és öregedő repülőgépekben ,1997( online olvasás , konzultáció 2019. június 26-án )
8. Redmond, „  A biztonságos élettől a törésmechanikáig - F111 Aircraft Cold Temperature Proof Testing at RAAF Amberley  ” (hozzáférés : 2019. április 17. )
9. . Molent , A strukturális fáradtságvizsgálatok története a Fishermans Bend Australia-nál ( n o  RTOS-TR-1773)2005( online olvasás )
10. tervezése és légialkalmassági követelményeket Aircraft Service , az Egyesült Királyság, a Honvédelmi Minisztérium ( n o  Védekezés Normál 00-970)1982
11. "  FAA légialkalmassági előírások szerinti szállítási kategóriájú repülőgépek, a szerkezet sérüléstűrésének és fáradtságának értékelése.  » (Hozzáférés : 2021. február 2. )
12. "  Vibrációs fáradtság teszt az F / A-18 empennage-től  " , Defense Science and Technology Group (hozzáférés : 2019. június 26. )
13. Simpson, Landry, Roussel, Molent és Schmidt, „  A kanadai és ausztrál F / A-18 nemzetközi követő strukturális teszt projekt  ” (hozzáférés : 2019. június 26. )
14. Molent, Dixon, Barter and White, „  Ex-Service F / A-18A / B / C / D Center törzsek továbbfejlesztett lebontása  ”, 25. ICAF szimpózium-Rotterdam, 2009. május 27–29 .2009