Test de oboseală

Testarea oboselii este o formă de testare mecanică care se realizează prin aplicarea unei sarcini ciclice pe un eșantion sau structură de testare. Aceste teste sunt utilizate pentru a genera date privind rezistența la oboseală , creșterea fisurilor, identificarea locațiilor critice sau demonstrarea siguranței unei structuri care poate fi susceptibilă la oboseală. Testarea oboselii este utilizată pe o serie de componente, de la eșantioane la teste de dimensiuni complete, cum ar fi automobile și avioane .

Testele de oboseală pe eșantioane se efectuează în general folosind mașini de întindere capabile să aplice sarcini ciclice variabile de amplitudine mare. Testele de amplitudine constantă pot fi aplicate și de mașini oscilante mai simple. Durata de viață a oboselii unui specimen este numărul de cicluri necesare pentru a eșua. Aceste date pot fi folosite pentru a crea curbe de stres sau tensiune versus viață. Rata de creștere a fisurilor într-un specimen de testare poate fi măsurată fie în timpul testului, fie ulterior, folosind facies de eșec . Testele pe probe pot fi efectuate și în interiorul camerelor de testare unde temperatura, umiditatea și mediul, care pot afecta creșterea fisurilor, sunt controlate.

Datorită dimensiunii și formei unice a testelor la scară completă, trebuie construite standuri de testare specifice care să aplice sarcini printr-o serie de actuatoare hidraulice sau electrice. Actuatoarele urmăresc să reproducă sarcinile mari suferite de o structură care, în cazul avioanelor, poate consta în manevre, rafale de vânt, vibrații și sarcini sol-aer-sol. Un eșantion reprezentativ sau un bloc de sarcină se aplică în mod repetat până când se demonstrează durata de viață a structurii sau apar defecțiuni și trebuie reparate. Instrumente precum senzori de forță , tensometre și senzori de deplasare sunt instalate pe structură pentru a se asigura că se aplică sarcina corectă. De încercări nedistructive ale structurii sunt realizate periodic în jurul concentrațiilor critice de stres , cum ar fi găuri și fitinguri. Acestea sunt efectuate pentru a determina când au fost găsite fisuri detectabile și pentru a se asigura că orice fisuri care apar nu afectează alte zone ale structurii supuse testului. Deoarece nu se pot aplica toate sarcinile, orice sarcină structurală neechilibrată este de obicei supusă podelei printr-o structură non-critică, cum ar fi trenul de aterizare.

Standardele de navigabilitate impun, în general, efectuarea unui test de oboseală pentru avioane mari, înainte de certificare, pentru a determina durata lor de viață. Avioanele mai mici pot demonstra siguranța prin calcule, deși coeficienți mai mari de siguranță sau dispersie sunt utilizați în general din cauza incertitudinii suplimentare implicate.

Probele de testare

Testarea oboselii este utilă pentru obținerea de informații despre materiale precum rata de creștere a unei fisuri de oboseală. Aceste date pot fi apoi combinate cu ecuații de creștere a fisurilor pentru a prezice viața de oboseală. Găsim această rată în raport cu intervalul factorilor de intensitate a stresului , unde factorul minim de intensitate a stresului corespunde sarcinii minime pentru și este considerat zero pentru și este raportul de stres . Au fost dezvoltate teste standardizate pentru a asigura repetabilitatea și a permite determinarea ușoară a factorului de intensitate a stresului, dar pot fi utilizate alte forme cu condiția ca eșantionul să fie suficient de mare pentru a fi predominant elastic. ${\ displaystyle da / dN}$ ${\ displaystyle \ Delta K = K _ {\ max} -K _ {\ min}}$ ${\ displaystyle K _ {\ min}}$ $R> 0$ ${\ displaystyle R \ leq 0}$ $R$ ${\ displaystyle R = K _ {\ min} / K _ {\ max}}$

Forma specimenului

Se pot folosi diferite specimene, dar cele mai frecvente sunt:

Tensiunea Compact (CT) specimen . Specimenul compact folosește cea mai mică cantitate de material posibil pentru a măsura creșterea fisurilor. În general, utilizează știfturi care sunt puțin mai mici decât găurile din specimen pentru a aplica încărcăturile. Cu toate acestea, această metodă previne aplicarea precisă a sarcinilor aproape de zero și, prin urmare, eșantionul nu este recomandat atunci când trebuie aplicate sarcini negative.
Centrul de Crack tracțiune (CCT) , tubul de testare . Eșantionul cu fisură centrală sau medie constă dintr-o foaie sau o bară plată care conține două găuri pentru fixarea clemelor.
Tensiunea Single Edge Notch (SENT) specimen . Specimenul cu crestătură laterală este o versiune alungită a specimenului compact.

Instrumente

Următoarele instrumente sunt utilizate în mod obișnuit pentru a monitoriza specimenele de testare:

Indicatoarele de tensiune sunt utilizate pentru a monitoriza sarcinile sau câmpurile de solicitare aplicate în jurul vârfului fisurii. Pot fi așezate sub calea fisurii sau pe fața din spate a unui exemplar compact.
Un extensometru sau un indicator de deplasare poate fi folosit pentru a măsura deplasarea deschiderii de la vârful fisurii la gura fisurii. Această valoare poate fi utilizată pentru a determina factorul de intensitate a tensiunii care variază în funcție de lungimea fisurii. Indicatoarele de deplasare pot fi, de asemenea, utilizate pentru a măsura rigiditatea și poziția unui specimen în timpul ciclului de încărcare, atunci când are loc contactul între fețele de fisură opuse, pentru a măsura închiderea fisurilor.
Sarcinile de testare aplicate sunt de obicei monitorizate pe mașina de testat cu o celulă de încărcare.
Un microscop optic mobil poate fi folosit pentru a măsura poziția vârfului fisurii.

Teste de oboseală la scară largă

Testele la scară completă pot fi utilizate pentru:

Validați programul de întreținere a aeronavei.
Demonstrați siguranța unei structuri susceptibile la deteriorarea oboselii.
Generați date de oboseală.
Validați așteptările pentru inițierea fisurilor și modelul de creștere.
Identificați locațiile critice.
Validați software-ul folosit pentru proiectarea și fabricarea aeronavei.

Testarea oboselii poate fi de asemenea utilizată pentru a determina în ce măsură deteriorarea oboselii poate fi o problemă.

Structura testului

Certificarea necesită cunoașterea și raportarea istoricului complet al încărcăturilor suferite de o structură de testare. Utilizarea structurilor care au fost deja utilizate pentru testarea rezistenței statice poate cauza probleme atunci când sunt aplicate suprasarcini și poate întârzia rata creșterii fisurilor de oboseală.

Încărcările de testare sunt de obicei înregistrate utilizând un sistem de achiziție de date care obține date de la mii de intrări de la instrumente instalate pe structura de testare, inclusiv: manometre, manometre, dinamometre, senzori de deplasare etc.

Fisurile de oboseală încep, în general, în zone cu stres ridicat, cum ar fi concentrațiile de stres sau defectele de material și de manoperă. Este important ca structura de testare să fie reprezentativă pentru toate caracteristicile sale.

Fisurile pot proveni din următoarele surse:

Fretting , de obicei datorită încărcărilor dinamice cu număr mare de cicluri.
Găuri forate incorect sau găuri dimensionate incorect pentru elemente de fixare strânse.
Tratarea materialelor și defectelor, cum ar fi incluziunile rupte.
Concentrațiile de solicitări, cum ar fi găurile și firele.
Zgarieturi, daune de impact.

Secvența de încărcare

Un bloc de sarcină reprezentativ se aplică în mod repetat până când se demonstrează durata de viață a structurii sau apar defecțiuni și trebuie reparate. Mărimea secvenței este aleasă astfel încât sarcinile maxime susceptibile de a provoca efecte de încetinire să fie aplicate suficient de des, de obicei de cel puțin zece ori pe parcursul testului, încât să nu existe efecte de secvență.

Secvența de încărcare este de obicei filtrată pentru a elimina aplicarea unor cicluri mici de deteriorare fără oboseală care ar dura prea mult timp pentru a fi aplicate. În general se utilizează două tipuri de filtrare:

Filtrarea în bandă moartă elimină ciclurile mici care se încadrează în întregime într-un anumit interval, cum ar fi +/- 3g .
filtrarea creșterii și scăderii elimină ciclurile mici care sunt sub un anumit interval, de exemplu 1g .

Frecvența de testare este în general limitată la câțiva Hz și trebuie să evite frecvența de rezonanță a structurii.

Banc de testare

Toate componentele care nu fac parte din structura sau instrumentația de testare se numesc standuri de testare. Următoarele componente sunt utilizate în mod obișnuit la testarea oboselii la scară largă.

Pentru a aplica sarcinile corecte diferitelor părți ale structurii, se utilizează un mecanism numit Whiffletrees pentru a distribui sarcinile de la un actuator de încărcare la structura testată. Sarcinile aplicate într-un punct central sunt distribuite pe o serie de grinzi conectate prin pini pentru a produce sarcini cunoscute la capete. Fiecare capăt este de obicei atașat la un tampon care este lipit de structură, ca o aripă de avion. Sute de tampoane sunt de obicei aplicate pentru a reproduce sarcinile aerodinamice și inerțiale observate pe aripă. Deoarece whiffletree este alcătuit din legături de tensiune, nu poate aplica sarcini compresive. Acesta este motivul pentru care fluierele independente sunt utilizate în general pe părțile superioare și inferioare ale testelor de oboseală a aripilor.

Actuatoarele hidraulice, electromagnetice sau pneumatice sunt utilizate pentru a aplica sarcini pe structură, fie direct, fie printr-un whiffletree pentru a distribui sarcinile. Un traductor de forță este plasat în linie cu actuatorul și este utilizat de controlerul de încărcare pentru a controla sarcinile din actuator. Când se utilizează mai multe actuatoare pe o structură de testare flexibilă, poate exista o interacțiune încrucișată între diferiții actuatori. Controlerul de încărcare trebuie să se asigure că ciclurile de încărcare parazită nu sunt aplicate structurii datorită acestei interacțiuni.

Pot fi folosite și constrângeri de reacție. Multe sarcini, cum ar fi forțele aerodinamice și interne, sunt guvernate de forțe interne care nu sunt prezente într-un test de oboseală. Prin urmare, sarcinile sunt îndepărtate din structura e, puncte non-critice, cum ar fi trenul de aterizare sau prin intermediul dispozitivelor de fixare de pe fuzelaj.

Un senzor de deplasare poate fi utilizat pentru a măsura deplasarea locațiilor critice pe structură. Limitele acestor deplasări pot fi utilizate pentru a semnaliza eșecul unei structuri și a opri automat testul.

În cele din urmă, putem folosi o structură nereprezentativă. Unele structuri de testare pot fi costisitoare sau indisponibile și sunt de obicei înlocuite pe structura de testare cu o structură echivalentă. O structură apropiată de punctele de fixare a actuatorului poate vedea o sarcină nerealistă care face ca aceste zone să nu fie reprezentative.

Instrumente

Următoarele instrumente sunt de obicei utilizate pentru testarea oboselii:

manometru
accelerometre
senzor de deplasare
senzor de forță
senzor de fisură
senzori de monitorizare a stării structurale

Este important să instalați manometre pe structura de testare, care sunt, de asemenea, utilizate pentru monitorizarea aeronavelor din flotă. Acest lucru permite efectuarea acelorași calcule ale daunelor pe articolul de testare care sunt utilizate pentru a urmări durata de viață a oboselii aeronavelor din flotă. Acesta este principalul mijloc de a se asigura că aeronava din flotă nu depășește durata de viață stabilită în urma testului de oboseală.

Inspecții

Inspecțiile sunt o componentă a unui test de oboseală. Știind când apare o fisură detectabilă este importantă pentru a determina durata de viață a fiecărei componente, pe lângă reducerea la minimum a deteriorării structurii înconjurătoare și dezvoltarea reparațiilor cu impact minim asupra certificării structurii adiacente. Inspecții nedistructive pot fi efectuate în timpul testării, iar testarea distructivă poate fi utilizată la sfârșitul testării pentru a se asigura că structura își păstrează capacitatea de încărcare.

Certificare

Interpretarea și certificarea testelor implică utilizarea rezultatelor testului de oboseală pentru a justifica viața și funcționarea în siguranță a unei structuri. Obiectivul certificării este de a se asigura că probabilitatea defectării în serviciu este suficient de scăzută. Poate fi necesar să se ia în considerare următorii factori:

numărul de încercări
simetria structurii de testare și sarcina aplicată
instalarea și certificarea reparațiilor
factorii de dispersie
variabilitatea materialelor și a proceselor de fabricație
mediu inconjurator
criticitate

Standardele de navigabilitate impun, în general, ca o aeronavă să rămână în siguranță, chiar dacă structura este într-o stare degradată din cauza prezenței fisurilor de oboseală.

Teste notabile de oboseală

F-111 teste de sarcină rezistente la frig . Aceste teste au constat în aplicarea de sarcini limită statice la avioane care au fost răcite pentru a reduce dimensiunea critică a fracturii. Trecerea testului a însemnat că nu au existat fisuri mari de oboseală. Când erau prezente fisuri, aripile au suferit eșecuri catastrofale.
Programul internațional de urmărire a testelor de oboseală structurală (IFOSTP) a fost un proiect comun între Australia, Canada și Statele Unite pentru a testa oboseala Hornetului F / A-18 . Testul australian a implicat utilizarea de agitatoare electrodinamice și airbag-uri pneumatice pentru a simula unghi ridicat de încărcare de tip bufet de atac pe coadă .
Cometa De Havilland a suferit o serie de defecțiuni catastrofale care, în cele din urmă, s-au dovedit a fi datorate oboselii în ciuda testelor de oboseală.
Au fost efectuate teste de oboseală pe 110 ansambluri de aripi Mustang pentru a determina dispersia vieții de oboseală.
Romanul Fără autostradă și filmul Fără autostradă pe cer au fost despre un test fictiv de oboseală a fuselajului unui avion de linie.
Testele de oboseală au fost, de asemenea, utilizate pentru a dezvolta fisuri de oboseală prea mici pentru a fi detectate.

Referințe

„ Program de testare și certificare ” (accesat la 27 februarie 2020 )
„ Sisteme de testare de mare rată ” , MTS (accesat la 26 iunie 2019 )
„ FAA PARTEA 23 - Standarde de navigabilitate: avioane de categorie normală ” (accesat la 26 iunie 2019 )
Comitetul ASTM E08.06 , E647 Metoda standard de testare pentru măsurarea ratelor de creștere a fisurilor de oboseală , ASTM Internațional ( nr . E647-13)2013
„ Testarea tensiunii de crestătură cu un singur margine ” , NIST (accesat la 26 iunie 2019 )
Newman, Yamada și James, „ Relația de conformare a tulpinii pe fața din spate pentru specimene compacte pentru o gamă largă de lungimi de fisuri ”, Engineering Fracture Mechanics , vol. 78,2011, p. 2707–2711 ( DOI 10.1016 / j.engfracmech.2011.07.001 , citiți online )
Clark, Yost și Young, „ Recuperarea flotei RAAF MB326H; Povestea unei flote de antrenori care îmbătrânește ”, Oboseala în aeronavele noi și îmbătrânite ,1997( citiți online , consultat la 26 iunie 2019 )
Redmond, „ De la 'Safe Life' pentru Mecanică Fracture - F111 Avioane rece Temperatura Dovada Testarea la RAAF Amberley “ (accesat 17 aprilie 2019 )
L. Molent , The History of Structural Fatigue Testing at Fishermans Bend Australia ( n o RTOS-TR-1773)2005( citește online )
proiectare și de navigabilitate Cerințe pentru service de aeronave , Marea Britanie, Ministerul Apărării ( n o apărare Standard 00-970)1982
" Standardele de navigabilitate FAA avioane din categoria transportului, evaluarea structurii în caz de avarie - toleranță și oboseală. » (Accesat la 2 februarie 2021 )
„ Test de oboseală a vibrațiilor din empenajul F / A-18 ” , Defence Science and Technology Group (accesat la 26 iunie 2019 )
Simpson, Landry, Roussel, Molent și Schmidt, „ The Canadian and Australian F / A-18 International Follow-On Structural Test Project ” (accesat la 26 iunie 2019 )
Molent, Dixon, Barter și White, „ Dezmembrarea îmbunătățită a fuselajelor centrului F-A-18A / B / C / D ”, 25 de simpozion ICAF - Rotterdam, 27-29 mai 2009 ,2009