Выбор материала конструкции

При создании новой конструкции одним из определяющих факторов, влияющих на ее совершенство, является правильный выбор материала.

При выборе материала необходимо учитывать:

1) его стоимость;

2) возможность применения в технологических процессах, необходимых для изготовления детали заданной конфигурации и габаритных размеров;

3) степень освоения технологических процессов обработки данного материала;

4) возможность использования данного материала в условиях эксплуатации будущей конструкции;

5) удельные прочностные и жесткостные характеристики;

6) усталостные характеристики материала, определяемые скоростью наступления и распространения усталостных разрушений.

Установлено, что материалы по-разному работают на разные виды нагружения и деформации. Одни материалы хорошо работают на растяжение, другие – на продольный изгиб, третьи – на сдвиг. Критерием, оценивающим способность того или иного элемента конструкции работать на данный вид нагружения, является коэффициент его удельной прочности.

При нормальной температуре коэффициенты удельной прочности для различных видов нагружения имеют вид: s_в/r – растяжение и чистое сжатие; /r – продольный изгиб; /r – поперечный изгиб; t_в/r – сдвиг, где s_в – временное сопротивление; Е – модуль упругости; t_в – временное сопротивление сдвигу.

Эти коэффициенты используются при проектировании конструкции минимальной массы, работающей на данный вид нагружения.

Рис. 1.1. Стержень, работающий на растяжение

В качестве примера приведем расчет элемента, работающего на растяжение, по критерию удельной прочности. На элемент конструкции длиной l (рис. 1.1) действует растягивающая сила Р. Определим потребную площадь сечения F из условия сохранения работоспособности конструкции до разрушения F = P/s_в. Массу элемента в этом случае можно вычислить по формуле m = rFl = rlP = , где j = s_в/r – коэффициент удельной прочности. Тогда m_min = Рl/j_mах, т.е. для уменьшения массы стержня надо выбирать материал с наибольшим значением коэффициента удельной прочности. Необходимо учитывать, что при повышенных температурах коэффициенты удельной прочности требуют корректировки.

При расчете самолетных конструкций на прочность принято, что при эксплуатационной нагрузке напряжение в конструкции не должно превышать s_0,2, т.е. при n^э напряжение составляет s_0,2; при разрушающей нагрузке n = n^эf напряжение равно s_в, где f – коэффициент безопасности, равный f » s_в/s_0,2; n^э и n – соответственно коэффициенты эксплуатационной и расчетной перегрузок. Для большинства авиационных материалов отношение s_в/s_0,2 = 1,5. С повышением температуры s_0,2 и s_в у многих материалов изменяются различно. Поэтому при сравнении таких материалов по критерию удельной прочности коэффициент s_в/r надо заменять на s_в¢/r, где s_в¢ = f, – значение s_0,2 при данной температуре; s_в¢ – условное значение разрушающего напряжения.

Еще одним важным критерием при выборе материала конструкции является его сопротивление усталости, характеризующее скорость появления разрушений при циклическом нагружении, а также скорость распространения появившихся трещин.

Рис. 1.2. Кривая Веллера материалов

Сопротивление усталости характеризуется кривой Веллера (рис. 1.2), показывающей зависимость s от числа циклов нагружения. Коэффициент s_-1/r (где s_-1 – предел выносливости при изгибе при симметричном цикле нагружения гладкого образца) необходимо учитывать при выборе материала для конструкций, подвергающихся действию циклических нагрузок.

При проектировании элементов конструкций, работающих в условиях кинетического нагрева, большое значение придается ползучести материала, характеризуемой критериями s_0,2/100 и s_0,2/100/r, где s_0,2/100 – предел ползучести при высоких температурах (напряжение, вызывающее деформацию 0,2% за 100ч).

Материал, выбранный по критерию удельной прочности, еще полностью не характеризует массу будущей конструкции, так как необходимо учитывать ряд технологических ограничений, не позволяющих использовать полученные по расчету сечения, это ограничения по допускаемой толщине обшивки – сортамент листов, сортамент профилей, допускаемые толщины литых и штампованных деталей и т.д.

Не во всех случаях материал конструкции выбирают из условия прочности. Существует большое число (до 30%) малонагруженных элементов, таких, как часть поперечного набора у концов крыла и оперения, различные детали оборудования и др. Если эти элементы выполнять из высокопрочных материалов, то потребные сечения могут оказаться столь малыми, что их по технологическим соображениям невозможно изготовить. Для этих элементов надо применять легкие алюминиевые и магниевые сплавы. Материал конструкции существенно влияет на ее массу, стоимость и технологичность. Учесть при выборе материала все эти факторы конструктору помогает его практический опыт. В самолетостроении достаточно широко используют неметаллические материалы – для носовых радиопрозрачных коков, остекления кабины, тепло- и звукоизоляции, для разного рода прокладок и уплотнений и т.п.

В последнее десятилетие в мировом авиастроении ведутся широкие исследования по созданию композиционных материалов (КМ) и конструкций из них.

Рис. 1.3. Образец из композиционных материалов

Композиционный материал – это материал, состоящий из высокопрочных волокон, уложенных в определенном направлении, и матрицы, являющейся связующей для этих волокон (рис. 1.3). В качестве наполнителей могут быть использованы волокна таких высокопрочных материалов, как углерод, бор, кремний, графит, бериллий и др., в качестве связующего – синтетические смолы или сплавы металлов. Соотношения между объемами наполнителя и матрицы могут быть различными, так же как и расположение волокон относительно осей Оу и Oz. В соответствии с этим изменяются механические свойства КМ. Изотропности в КМ добиться очень трудно, почти невозможно, но это и не требуется, так как волокна располагают в направлении основных усилий. Поскольку КМ обладают высокой прочностью и жесткостью при малой массе, то их применение весьма перспективно как для силовых, так и для несиловых элементов конструкции. Пока их широкому применению препятствуют высокая стоимость и отсутствие опыта проектирования. Особую сложность вызывают стыковые соединения конструкций из КМ. Но малая масса и большая надежность подобных конструкций позволят широко их применять в дальнейшем. В настоящее время проводятся опытные работы по внедрению КМ в самолето- и двигателестроении. Отдельные конструктивные элементы из КМ уже используются на некоторых отечественных и зарубежных самолетах.