Методика оценки ресурса по малоцикловой усталости при нерегулярном нагружении деталей с поверхностными остаточными напряжениями

Обработка ответственных деталей авиационного двигателя, обеспечивающая образование поверхностных остаточных напряжений сжатия и увеличение ресурса по малоцикловой усталости, давно применяется на практике. Тем не менее остаются открытыми вопросы по методике расчета усталостной прочности. Дискуссионным является вопрос о корректном учете поверхностных остаточных напряжений сжатия. Предпочтительно использовать данные усталостных испытаний с обработанными образцами, имеющими те же поверхностные остаточные напряжения сжатия и прочностные характеристики, что и у исследуемой детали. Однако методика таких испытаний не отработана. Также не вполне ясно влияние порядка циклов в схеме полета и наличие в ней циклов малой амплитуды на усталостный ресурс, которое не учитывается применяемыми на практике методами. Рассмотрена задача определения ресурса диска компрессора высокого давления, поверхности которого подвергнуты дробеструйной обработке, на полетных циклах нагружения. Профиль пластических деформаций определен по лабораторным данным, полученным методом Н.Н. Давиденкова, с помощью предлагаемых реконструктивных формул. Для внедрения поверхностных пластических деформаций в конечно-элементную модель использованы оболочечные элементы, имеющие атрибуты амплитуды и толщины слоя предварительных деформаций. Рассчитано распределение остаточных напряжений, порожденных несовместной частью заданных деформаций, а также напряжений, вызванных центробежными силами и неоднородным температурным расширением. Остаточные напряжения смещают имеющиеся опасные точки с поверхности под упрочненный слой, почти не изменяя напряжений внутри детали. Для расчета ресурса применена эволюционная модель, учитывающая нестационарную историю нагружения в полетных циклах. За отсутствием данных по усталостному разрушению, зарождающемуся под упрочненным поверхностным слоем, необходимые диаграммы Велера сымитированы сдвигом диаграмм для образцов без поверхностного упрочнения. Анализ результатов расчета для четырех схематизаций полетного цикла позволил определить диапазоны прогнозов усталостной долговечности в зависимости от поверхностной обработки и нерегулярности нагружения, и применимость предложенной методики.
EDN: FIGBGA, https://elibrary/figbga

Литература

[1] Портер А.М., Лешин Д.П., Букатый С.А. и др. Расчетно-экспериментальное исследование влияния упрочнения методом ППД на малоцикловую усталость деталей ГТД с концентраторами напряжений. Вестник СГАУ, 2011, № 3–2, с. 40–46.

[2] Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Вакулюк В.С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. Самара, СНЦ РАН, 2012. 125 с.

[3] Багмутов В.П. Решение прямых и обратных задач механики формирования поверхностно-упрочненных титановых сплавов со сбалансированным комплексом триботехнических и усталостных характеристик. Карточка проекта РНФ 22-29-01078. URL: https://www.rscf.ru/project/22-29-01078/ (дата обращения: 15.05.2024).

[4] Marines I., Bin X., Bathias C. An understanding of very high cycle fatigue of metals. Int. J. Fatigue, 2003, vol. 25, no. 9, pp. 1101–1107, doi: https://doi.org/10.1016/S0142-1123(03)00147-6

[5] Shiozawa K., Lu L., Ishihara S. S-N curve characteristics and subsurface crack initiation behaviour in ultra-long life fatigue of a high carbon-chromium bearing steel. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 2001, vol. 24, no. 12, pp. 781–790, doi: https://doi.org/10.1046/j.1460-2695.2001.00459.x

[6] Кашаев Н., Плехов О.А., Гачегова Е.А. и др. Влияние лазерной ударной проковки на мало- и многоцикловую усталость титанового сплава ОТ4-0. Прикладная механика и техническая физика, 2022, т. 63, № 2, с. 182–191, doi: https://doi.org/10.15372/PMTF20220217

[7] Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д. Повреждаемость и усталостное разрушение элементов конструкций в различных режимах циклического нагружения. Прикладная математика и механика, 2022, т. 86, № 2, с. 276–290.

[8] Naumann E.C., Hardrath H.R., Guthrie E.C. Axial load fatigue tests of 2024-T3 and 7075-T6 aluminum alloy sheet specimens under constant- and variable-amplitude loads. Techchnical report. NASA TN D-212. Langley Research Center, NASA, 1959. 40 p.

[9] Naumann E.C. Fatigue under random and programmed loads. Technical report NASA TN D-2629. Langley Research Center, NASA, 1965. 42 p.

[10] Schutz W. The fatigue life under three different load spectra tests and calculations. Symp. on Random Load Fatigue. AGARD CP-118, 1972.

[11] Schutz W., Heuler P. Miner’s rule revisited. Mater. Test., 1994, vol. 42, no. 6, pp. 245–251, doi: https://doi.org/10.1515/mt-2000-420612

[12] Jacoby G.H. Comparison of fatigue lives under conventional program loading and digital random loading. In: Effects of environment and complex load history on fatigue life. ASTM Int., 1970, pp. 184–202, doi: https://doi.org/10.1520/STP32042S

[13] Ekvall J.C., Young L. Converting fatigue loading spectra for flight-by-flight testing of aircraft and helicopter components. J. Test. Eval., 1976, vol. 4, no. 4, pp. 231–247, doi: https://doi.org/10.1520/JTE10207J

[14] Басов В.Н., Нестеренко Г.И. Прочность и усталость материалов обшивки конструкций гражданских самолетов. Научный вестник МГТУ ГА, 2010, № 153, с. 15–23.

[15] Jurcevic R., DuQuesnay D.L., Topper T.H. et al. Fatigue damage accumulation in 2024-T351 aluminium subjected to periodic reversed overloads. Int. J. Fatigue, 1990, vol. 12, no. 4, pp. 259–266, doi: https://doi.org/10.1016/0142-1123(90)90453-L

[16] Borrego L.P., Ferreira J.M., Pinho da Cruz J.M. et al. Evaluation of overload effects on fatigue crack growth and closure. Eng. Fract. Mech., 2003, vol. 70, no. 11, pp. 1379–1397, doi: https://doi.org/10.1016/S0013-7944(02)00119-4

[17] Haibach F. Modifizierte lineare Schadensakkumulationshypothese zur Beräcksichtigung des Dauerfestigkeitsabfalls mit fortschreitender. Technische Mitteilungen TM 50. Sch?digung, Laboratorium für Betriebsfestigkeit, 1970.

[18] Eurocode 3: Design of steel structures — Part 1-9: Fatigue. Vol. EN 1993-1-9:2005-05 +AC:2009-04. Brussels, ECS, 2009. 36 p.

[19] Zenner H., Liu J. Vorschlag zur Verbesserung der Lebensdauerabschätzung nach dem Nennspannungskonzept. Konstruktion, 1992, vol. 44, no. 1, pp. 9–17.

[20] Стрижиус В.Е. Уравнение кривой усталости при квазислучайном нагружении элементов продольного набора крыла неманевренного самолета. Ученые записки ЦАГИ, 1998, т. 29, № 3–4, с. 144–152.

[21] Haibach E. Betriebsfestigkeit. Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung. Springer, 2006. 759 p.

[22] Кузьмин В.Р., Прохоров В.А., Борисов А.З. и др. Усталостная прочность металлов и долговечность элементов конструкций при нерегулярном нагружении высокого уровня. Москва, Машиностроение, 1998. 256 с.

[23] Стрижиус В.Е. Метод расчета на усталость элементов авиаконструкций при бигармоническом нагружении. Научный вестник МГТУ ГА, 2012, № 175, с. 55–61.

[24] Pereira H., DuQuesnay D., De Jesus A. et al. Analysis of variable amplitude fatigue data of the P355NL1 steel using the effective strain damage model. J. Pressure Vessel Technol., 2009, vol. 131, no. 5, art. 051402, doi: https://doi.org/10.1115/1.3147986

[25] Sines G. Failure of materials under combined repeated stresses with superimposed static stresses. Technical report NACA TN-3495. NACA, 1955.

[26] Crossland B. Effect of large hydrostatic pressures on torsional fatigue strength of an alloy steel. Proc. Int. Conf. on Fatigue of Metals, 1956, pp. 138–149.

[27] Мэнсон С.С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. Москва, Машиностроение, 1974. 344 с.

[28] Smith K., Topper T., Watson P. A stress–strain function for the fatigue of metals. J. Mater., 1970, vol. 5, pp. 767–778.

[29] Fatemi A., Socie D.F. A critical plane approach to multiaxial fatigue damage including out-of-phase loading. FFEMS, 1988, vol. 11, no. 3, pp. 149–165, doi: https://doi.org/10.1111/j.1460-2695.1988.tb01169.x

[30] You C., Achintha M., Soady K.A. et al. Low cycle fatigue life prediction in shot-peened components of different geometries – part II: life prediction. FFEMS, 2017, vol. 40, no. 5, pp. 749–760, doi: https://doi.org/10.1111/ffe.12542

[31] Cruces A.S., Lopez-Crespo P., Moreno B. et al. Multiaxial fatigue life prediction on S355 structural and offshore steel using the SKS critical plane model. Metals, 2018, vol. 8, no. 12, art. 1060, doi: https://doi.org/10.3390/met8121060

[32] Lemaitre J., Chaboche J.L. Mechanics of solid materials. Cambridge University Press, 1994. 556 p.

[33] Murakami S. Continuum damage mechanics. Springer, 2012. 402 p.

[34] Никитин И.С., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Комплексное исследование зарождения и роста усталостных трещин при сверхмногоцикловом кручении. Физическая мезомеханика, 2023, т. 26, № 3, с. 50–61, doi: https://doi.org/10.55652/1683-805X_2023_26_3_50

[35] Marmi A.K., Habraken A.M., Duchene L. Multiaxial fatigue damage modelling at macro scale of Ti–6Al–4V alloy. Int. J. Fatigue, 2009, vol. 31, no. 11–12, pp. 2031–2040, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2009.03.003

[36] Lu R.S., Tan J.P., Yang J. et al. A new creep-fatigue crack growth model and a correlation of the creep-fatigue crack growth rate with unified constraint parameter. Int. J. Fatigue, 2023, vol. 166, art. 107248, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107248

[37] Бондарь В.С., Абашев Д.Р. Неупругое поведение и разрушение материалов при изотермических и неизотермических, простых и сложных нагружениях. Вестник ПНИПУ. Механика, 2020, № 4, с. 107–119, doi: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.4.10

[38] Волков И.А., Игумнов Л.А. Введение в континуальную механику поврежденной среды. Москва, Физматлит, 2017. 300 с.

[39] Ottosen N.S., Stenström R., Ristinmaa M. Continuum approach to high-cycle fatigue modeling. Int. J. Fatigue, 2008, vol. 30, no. 6, pp. 996–1006, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2007.08.009

[40] Петухов Д.С., Келлер И.Э. Эволюционная модель усталостного разрушения при нерегулярном нагружении. Известия РАН МТТ, 2022, № 2, с. 72–81, doi: https://doi.org/10.31857/S0572329922020167

[41] Korsunsky A. Variational eigenstrain analysis of synchrotron diffraction measurements of residual elastic strain in a bent titanium alloy bar. J. Mech. Mat. Struct., 2006, vol. 1, no. 2, pp. 259–277, doi: http://dx.doi.org/10.2140/jomms.2006.1.259

[42] Musinski W.D., McDowell D.L. On the eigenstrain application of shot-peened residual stresses within a crystal plasticity framework: application to Ni-base superalloy specimens. Int. J. Mech. Sci., 2015, vol. 100, pp. 195–208, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2015.06.020

[43] Саушкин М.Н., Радченко В.П., Куров А.Ю. Метод расчета остаточных напряжений в надрезах с полукруглым профилем в полом поверхностно упрочненном цилиндрическом образце. Прикладная механика и техническая физика, 2013, т. 54, № 4, с. 150–157.

[44] Gallitelli D., Boyer V., Gelineau M. et al. Simulation of shot peening: from process parameters to residual stress fields in a structure. Comptes Rendus M?ecanique, 2016, vol. 344, no. 4–5, pp. 355–374, doi: https://doi.org/10.1016/j.crme.2016.02.006

[45] Cochennec F., Rouhaud E., Roucoules L. et al. Numerical and experimental investigation on shot-peening induced deformation: application to sheet metal forming. Powder Diffr., 2008, vol. 23, no. 2, p. 183, doi: https://doi.org/10.1154/1.2951767

[46] Petukhov D.S., Keller I.E. Exact reconstruction formulas for plastic strain dis­tribution in the surface-treated plate and their applications. Acta Mech., 2020, vol. 231, no. 5, pp. 1849–1866, doi: https://doi.org/10.1007/s00707-020-02625-7

[47] Cai X., Li X., Xu J. Fatigue limit and life evaluation formulae for compres­sive mean stress states. Mater. Sci. Technol., 2018, vol. 34, no. 17, pp. 2166–2173, doi: https://doi.org/10.1080/02670836.2018.1522100

[48] Thiago R. Zum Schwingfestigkeitsverhalten von Gusseisenwerkstoffen unter einachsiger und mehrachsiger Beanspruchung am Beispiel von EN-GJV-450. Doktorarbeit. Shaker, 2011. 192 p.

[49] Forrest P.G. Fatigue of metals. Pergamon Press, 1963. 425 p.