акустическая усталость

Рис. 1. Характеристики колебаний и напряжённо-деформированного состояния для панелей обшивки летательного аппарата.

акусти́ческая уста́лость — усталость элементов авиационных конструкций, возникающая при воздействии на летательный аппарат акустической нагрузки. Проблема А. у. авиационных конструкций возникла в середине 50-х гг. XX в. в связи с применением на самолётах турбореактивных двигателей и, как следствие, ростом акустических нагрузок и повышением требований к надёжности и долговечности авиационных конструкций. Основные направления исследований проблемы А. у. связаны с изучением условий акустического нагружения, динамических характеристик, напряжённо-деформированного состояния тонкостенных конструкций при акустическом нагружении и с определением характеристик усталостной долговечности. Факторы, влияющие на А. у., приблизительно те же, что и при повторно-статических нагрузках, однако имеются некоторые особенности, связанные с образованием и развитием усталостных повреждений от акустических нагрузок. В акустическом поле тонкостенные конструкции откликаются на широкополосное (случайное) возбуждение колебаниями высокой частоты (20—2000 Гц), соответствующими собственным формам колебаний обшивки и её элементов. При этом в конструкции возникает сложное напряжённое состояние, результатом которого могут явиться различные усталостные повреждения (рис. 1). Усталостные повреждения имеют многоочаговый характер; развиваются от обеих поверхностей обшивки вглубь и в стороны, смыкаются между собой, образуя видимые трещины.

При расположении двигателей на пилонах крыла летательного аппарата наиболее нагруженными зонами планёра оказываются нижняя поверхность крыла, элероны (элевоны), закрылки, поверхности фюзеляжа, находящиеся за выхлопными соплами двигателей, хвостовое оперение. При расположении двигателей на хвостовой части фюзеляжа нагружается главным образом хвостовое оперение и часть поверхности фюзеляжа. Зоны максимального нагружения в полёте локализуются в следе срывных вихрей, зарождающихся на передней кромке крыла, на входе воздухозаборника, на отклоняемых в потоке управляющих поверхностях (закрылках, элевонах, элеронах, рулях), на подвесных элементах.

Для предотвращения повреждения конструкций в результате А. у. необходимо проведение ряда работ при создании летательного аппарата. На стадии проектирования летательного аппарата производятся расчётные оценки уровней акустических нагрузок и напряжений в элементах, прогнозируется долговечность и надёжность конструкции. Эти оценки подтверждаются экспериментально по данным испытаний образцов материалов, соединений, конструктивных элементов, панелей обшивки и целых натурных секций летательных аппаратов. Основные задачи, которые решаются на испытаниях: проверка правильности выбора материала и конструкции с точки зрения сопротивляемости А. у.; исследование влияния различных конструктивно-технологических факторов, условий нагружения и воздействия окружающей среды на характеристики А. у.; определение долговечности конструкции.

Испытания образцов материала, конструктивных элементов и соединений, являющиеся начальной стадией исследований, производятся на высокочастотных вибрационных машинах, позволяющих воспроизводить гармонические и случайные нагрузки. По результатам испытаний строят кривые усталости, выражающие зависимость среднего числа N циклов колебаний образца (наработки) до его разрушения от амплитуды (σ_а) или среднеквадратичные значения напряжения (σ_ср кв) в нём (рис. 2). Сопротивляемость А. у. оценивается значением напряжения на так называемой условной базе испытаний (например, 1·10⁸ циклов), показателем степени (m) аппроксимирующей кривой, проведённой через средние значения чисел N на различных уровнях напряжения, и рассеянием долговечности. При одинаковых значениях σ_ср кв случайное нагружение не является более повреждающим, чем гармоническое (σ_{ср кв сл} < σ_{ср кв гарм}). Результаты исследований А. у. на образцах уточняются по данным испытаний панелей, агрегатов и натурных секций летательных аппаратов, в ходе которых проверяется соответствие выбранных параметров конструкций летательного аппарата условиям нагружения, выявляются слабые места конструкции и несовершенство технологии.

На основе испытаний натурных отсеков и агрегатов в совокупности с данными других видов испытаний даётся окончательная оценка ресурса летательного аппарата по условиям А. у. Испытания проводятся при широкополосном спектре возбуждений, что наиболее соответствует условиям реального полёта. Для воспроизведения действия на объект испытания акустического поля реактивной струи используются различные установки, в том числе реверберационные камеры, и установки бегущей волны (рис. 3). В ряде случаев для испытаний на А. у. используются стенды с натурными двигательными установками.

Соответствие условий нагружения конструкции в акустических камерах эксплуатационным условиям достигается путём сравнения спектров звукового давления и напряжений в элементах объекта со значениями соответствующих характеристик, полученных при расчёте или экспериментально. Программы ресурсных испытаний на А. у. строятся исходя из продолжительности наземных и полётных режимов и влияния их на повреждаемость исследуемого участка конструкции.

Литература:
Скучик Е., Основы акустики, пер. с англ., т. 1—2, М., 1976;
Иофе В. К., Корольков В. Г., Сапожков М. А., Справочник по акустике, под ред. М. А. Сапожкова, М., 1979;
Авиационная акустика, под ред. А. Г. Мунина, ч. 1—2, М., 1986.

А. И. Панкратов.

Рис. 2. Кривые усталости, построенные по результатам испытаний образцов материала обшивки.

Рис. 3. Акустическая установка бегущей волны.