автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Эксплуатационная долговечность элементов авиаконструкций из композиционных материалов

Лебедев Игорь Константинович

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАКОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.22.14 - «Эксплуатация воздушного транспорта»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2011

1 0 МАР 2011

4840236

Работа выполнена в Московском Государственном техническом университете гражданской авиации.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Никонов Валерий Васильевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Коняев Евгений Алексеевич - кандидат технических наук, снс Бакулин Владимир Николаевич

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации

Защита состоится « 20 ^/года в часов в

аудитории -¿7^/0 на заседании Диссертационного Совета Д 223.011.01. в Московском Государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125493, г. Москва, Кронштадтский бульвар, дом 20. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА. Автореферат разослан «/., 02- 2011 года.

Ученый секретарь С.В.Кузнецов

Диссертационного Совета д.т.Н., профессор ^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Приоритетной задачей современного этапа развития воздушного транспорта является повышение безопасности, регулярности полетов и эффективности использования воздушных судов (ВС). Безопасность использования авиационной техники (AT) в значительной степени определяется надёжностью, заложенной при ее проектировании и производстве, применением прогрессивных концепций конструирования AT и научно-обоснованных систем технической эксплуатации.

В настоящее время дальнейшее совершенствование AT невозможно без применения новых конструкционных материалов. Один из путей улучшения летно-эксплуатационных характеристик ВС заключается в более широком использовании новых композиционных материалов (КМ).

Так, фирмой Boeing спроектирован пассажирский самолет с фюзеляжем выполненным из КМ, значителен процент использования композитов в аэробусе A3 80 (около 50%). В достаточно массовом количестве они были внедрены на отечественных самолетах Ил-86, Ил-96, Ту-204, Ту-334. Например, на самолете Ту-204 до 30% элементов механизации крыла (элероны, закрылки, рули высоты и направления) изготовлены из композитов. Накоплен опыт применения армированных пластиков в качестве материалов для обтекателей, отсеков фюзеляжей, мотогондол, лопаток компрессоров низкого давления и турбин, воздухозаборников, звукоизолирующих экранов и т.п.

Надо отметить, что интенсивному внедрению композиционных материалов препятствует отсутствие опыта длительной эксплуатации конструкций из КМ, результатов исследования изменения механических характеристик при длительных циклических нагрузках, которым подвергаются элементы AT в процессе эксплуатации.

Наряду с этим экономические возможности авиационных отраслей не позволяют проводить полномасштабные натурные испытания конструкций для прогнозирования ресурса, что связано с длительностью и значительной стоимостью таких испытаний. Кроме того, переход авиатехники на эксплуатацию по состоянию (это фактически означает отказ от плановых капитальных ремонтов) приводит к тому, что базы данных о дефектном состоянии конструкций сильно сужены. Если для конструкций из традиционных материалов статистика по самолетам-аналогам еще достаточно репрезентабельна, и её можно использовать для прогнозирования техсостояния, то ситуация с элементами конструкций из КМ значительно сложнее. Поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к развитию и уточнению методик расчетов на прочность и долговечность элементов из КМ и их соединений с учетом особенностей свойств КМ и характера эксплуатационных нагрузок.

Важным направлением исследований является разработка и совершенствование методов оценки долговечности при нерегулярных режимах

нагружения, характерных для реальных условий эксплуатации. В отличие от традиционных материалов (металлов), в композитах при случайных нагрузках (в силу гетерогенной структуры КМ) возникают рассеянные повреждения, для описания развития которых необходимо применение нелинейных моделей процессов исчерпания ресурса.

Несмотря на значительные результаты, полученные специалистами ЦАГИ, ОКБ, ГосНИИ ГА и других организаций, связанных с прочностными исследованиями и эксплуатацией ВС, ряд проблем прочности конструкций из КМ требует уточнений. В частности, это относится к оценкам усталостных свойств при режимах нагружения, характерных для условий эксплуатации.

Также следует отметить, что каждый авиалайнер по решению ИКАО должен быть снабжен кислородными дыхательными системами высокого давления. Эксплуатируемые на сегодня стальные баллоны, применяющиеся в отечественных самолетах в системах жизнеобеспечения, пневмоприводов и пожаротушения, имеют неудовлетворительные весовые характеристики и низкую взрывобезопасность.

Представленная работа ориентирована на создание методов расчетно-экспериментальной оценки ресурсных характеристик авиаконструкций из КМ, основанных на нелинейной теории накопления и суммирования повреждений, что определяет её актуальность, значимость и практическую ценность.

При написании диссертации автор ставил своей целью разработать и усовершенствовать практически реализуемые методы расчетов основных характеристик долговечности авиаконструкций из КМ для обеспечения безопасной эксплуатации ВС. Исходя из поставленной цели, была определена структура диссертационной работы и сформулированы основные задачи:

- уточнить методику оценки долговечности и остаточного ресурса элементов АТ из КМ при эксплуатационных режимах нагружения, которая наиболее соответствует физике деформирования и разрушения композитов;

- уточнить методику расчета динамической устойчивости оболочек сетчатой структуры из КМ, моделирующих отсек фюзеляжа;

- на основе анализа технического состояния элементов конструкций из КМ и их дефектов, выявленных на ВС, предложить рекомендации по ремонту поврежденных агрегатов;

- экспериментально оценить статическую прочность и циклическую долговечности образцов материалов и элементов авиаконструкций из КМ, для прогнозирования эксплуатационного ресурса и проверки адекватности предлагаемых расчетных моделей;

- разработать баллоны систем жизнеобеспечения, пневмоприводов и пожаротушения из КМ с меньшим весом по сравнению с металлическими аналогами и, в то же время, отвечающие требованиям ИКАО по безопасности авиаперевозок;

- предложить новую технологию изготовления соединений «КМ-металлоконструкции»

Автором получены следующие основные результаты, выносимые на защиту :

- результаты экспериментальных исследований образцов материалов на основе наиболее широко применяемых в элементах АТ стекло-, органо- и углепластиков, проведенных на испытательных машинах с автоматизированной системой управления и высокими прецизионными характеристиками;

- методика оценки долговечности и остаточного ресурса элементов АТ из КМ, учитывающая предысторию нагружения и основанная на нелинейной модели накопления усталостных повреждений;

- методика расчета динамической устойчивости оболочек сетчатой структуры из КМ;

- способ соединения «металл-композит» с внедренными в пластик в процессе изготовления (до отверждения) крепежными элементами и расчетно-экспериментальная методика оптимизации стыка;

комплекс конструктивнно-технологических решений, позволяющий создать металло-композитные баллоны высокого давления с тонкостенным сварным стальным или титановым лейнером, раскрепленным с оптимально спроектированной силовой оболочкой из высокопрочного углеволокна, для снабжения гражданских ВС кислородными дыхательными системами.

Достоверность полученных результатов подтверждена корректным использованием математического аппарата, применением адекватной для КМ нелинейной теории механики деформирования и разрушения, результатами тестовых проверок и сопоставлением результатов расчетов с данными натурных и лабораторных испытаний.

Результаты диссертационной работы практически применимы:

в научно-исследовательских лабораториях при проведении экспериментальных исследований циклической долговечности материалов и элементов конструкций;

- в НИИ ГА, ОКБ для оценки степени опасности усталостного повреждения и расчетов ресурса авиаконструкций из КМ на стадиях проектирования и эксплуатации;

- для обоснования и расчетов периодичности контроля тонкостенных элементов планера ВС из КМ.

Основные положения диссертационной работы внедрены в ОАО «Туполев» для ремонта руля направления магистрального самолета с использованием неразъемного соединения и установки кронштейнов подвески элеронов самолета Ту-204; в ОНИЛ-15 МГТУ ГА для обоснования режимов нагружения при экспериментальных исследованиях; в учебный процесс при выполнении выпускных квалификационных работ студентами специальностей 160900 «Эксплуатация и испытания А и КТ» и 160901 «Эксплуатация ЛА и Д» и в курсе лекций по дисциплинам «Повреждаемость и живучесть ЛА и АД» и

«Перспективные композиционные материалы в конструкциях А и КТ» для магистрантов специальности 160900 МГТУ ГА. •

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, 3 из которых включены в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования. Получены 2 патента на изобретения. ' Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию ГА России «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (г. Москва, МГТУ ГА, 2003, 17-18 апреля), научно-техническом семинаре ОНИЛ-15. В полном объеме они докладывались на расширенном научно-техническом семинаре кафедры «Двигатели летательных-аппаратов» МГТУ ГА.

По своей структуре, содержанию и объему диссертационная работа соответствует поставленным задачам и состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка использованных источников. Диссертация изложена на 220 печатных листах текста, содержит 99 рисунков, 15 таблиц Библиографический список насчитывает 265 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении подчеркнута и обоснована актуальность темы исследований.

В первом разделе рассмотрены особенности применения КМ в конструкциях современных ВС и состояние проблемы по оценке их ресурсных характеристик. Проведен анализ эксплуатационных повреждений элементов ВС из КМ на основе статистических данных. Сформулированы цели и задачи исследований.

В частности подчеркнуто, что при проектировании современных ВС наблюдается тенденция роста весовой доли КМ как в конструкции планера, так и в конструкции авиадвигателя. Даже применение КМ в слабо и средненагруженных элементах (элероны, интерцепторы, рули и т.д.), не являющихся критическими по условиям безопасности полетов, позволило снизить вес этих агрегатов в среднем на 25%. Приведены перспективы использования КМ в элементах планера конструкции, в деталях авиационных газотурбинных двигателей, при восстановительном ремонте авиаконструкций.

Показано, что основные эксплуатационные разрушения происходят в зонах соединения «металл-композит». Например, на самолете Ту-204 был зафиксирован срыв в полете участка обшивки руля направления. На самолетах Ил-86 наблюдаются дефекты в виде отслоений обшивок сотовых элементов руля высоты и закрылков.

Анализ технического состояния и статистики разрушений элементов конструкций из КМ на ВС показал, что причинами возникновения дефектов являются:

- недостаточные ресурсные характеристики элементов;

- проникновение влаги в зоны стыка обшивки металла с пластиком;

- уменьшение прочности склейки деталей вследствие нарушения технологии при изготовлении;

- недостаточная эффективность методов неразрушающего контроля.

На основании проведенного анализа состояния вопроса обеспечения прочностных и ресурсных характеристик авиаконструкций из КМ сформулированы цели и задачи диссертационной работы и определена ее структура.

Второй раздел посвящен исследованию особенностей деформирования и разрушения КМ по данным литературных источников. Анализируются существующие модели деформирования и накопления повреждений. Формулируются требования к разрабатываемой уточненной нелинейной модели накопления повреждений. Дается описание оборудования и технологии проведения эксперимента.

Основополагающими работами в области исследований кинетики усталостных повреждений, анализа долговечности и живучести конструкций являются труды C.B. Серенсена, В.В. Болотина. В.П. Когаева, А.Н. Махутова, B.C. Стреляева, В.Т. Трощенко, Е.М. Морозова, М.Н. Степнова, В.В. Никонова, Джо. Ирвина, Д. Броека, Т. Екобори, Ирвина-Гриффитса и др. Влияние факторов эксплуатационной нагружснности на процесс распространения усталостных трещин изучалось в работах Н.И. Гриненко, А.Ф. Селихова, B.J1. Райхера, A.C. Гусева, А.З. Воробьева, В.В. Никонова, B.C. Шапкина, А.Б. Злочевского, О. Уилера, Дж. Вилленборга, И.Шийве, С. Смита, С. Мацуока и других ученых. Механике разрушения КМ посвящены работы С.А. Амбарцумяна, В.Г., Баженова, А.И. Гольденблата, A.A. Ильюшина, В.А. Копнова, А.К. Малмейстера, В.В. Москвитина, Л.И. Огибалова, Ю.Н. Работнова, В.Д. Протасова, Ю.В. Суворовой, В.П. Тамужа. Особенностью процессов накопления повреждений является наличие так называемого «инкубационного» периода, в процессе которого не происходит существенного изменения структуры материала, а прочностные характеристики остаются приблизительно на одном уровне. Длительность инкубационного периода существенно зависит от уровня действующих напряжений и температуры. После инкубационного периода в КМ идет рост скорости накопления повреждений с последующим её замедлением. Существующие эмпирические модели накопления повреждений не являются универсальными и удовлетворительно согласуются лишь с конкретными условиями проведения экспериментальных исследований. В связи с этим возникает необходимость проведения целевого эксперимента и конкретизации модели под конкретный тип нагружения.

Таким образом, необходима разработка нелинейных моделей, основанных на физической сущности деформирования материала.

Существующие кинематические модели повреждений можно классифицировать по трем группам: деформационные, силовые и энергетические.

Проведенный в диссертационной работе сопоставительный анализ перечисленных подходов свидетельствует, что предложенные разными авторами зависимости требуют для определения входящих в уравнения констант проведения значительного объема дорогостоящих и длительных экспериментальных исследований. Кроме того, область применения разработанных к настоящему времени моделей ограничивается узким диапазоном изменения напряжений и температур.

В связи с этим сформулирована задача построения нелинейной модели накопления повреждений, учитывающая особенности разрушения композитов и минимизирующей количество усталостных испытаний.

Поскольку разброс усталостной долговечности КМ значительно выше, чем у металлов, при проведении экспериментальных исследований необходимо использовать высокоточное испытательное оборудование. При проведении экспериментов были задействованы установки INSTRON-1185, HUSS, электрогидравлическая установка серии 830 фирмы MTS с управляющим комплексом PDP 11/05. Образцы для испытаний изготавливались по специальной технолопш, описание которой приведено в диссертации. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами математической статистики.

Третий раздел посвящен оценке ресурсных характеристик материалов из КМ при статической прочности циклической долговечности.

В отличие от традиционного представления зависимости долговечности t от предела длительной прочности а в степенной либо экспоненциальной форме с выделением зон вязкого и хрупкого разрушения, для каждой из которых надо экспериментально определять соответствующие константы, предложена методика построения кривой выносливости с гладким переходом от одного типа разрушения к другому в виде суммы двух экспоненциальных функций-

à = + (1) а-р

где (ТЕ и <т„ - пределы прочности и выносливости, а а и /? константы.

Константы а и /? определяются по результатам испытаний на длительную прочность t* на двух уровнях напряжений с i* и а г .По экспериментально полученным значениям 11*, cr ] и 12*, <7 2 итерационным методом Ньютона вычисляются значения а и /?, входящие в уравнение (1).

Результаты расчетов по предложенной методике в сопоставлении с экспериментальными данными и оценками по методике Гольденблата-Копнова приведены на рис. 1.

Функцию накопления повреждений предложено использовать в виде -

^ — г "р

Соотношение (2) учитывает наличие времени инкубационного периода I ¡кн' и время действия ^ эквивалентного напряжения при ступенчатом изменении нагрузки.

Степень нелинейности накопления повреждений т, является характеристикой материала, зависящей от предыстории нагружения и, в том числе, от уровня напряжений <хэ; на 1 - той ступени нагружения.

а*

го

¿к

0.8

10 <£

ав

Юс

0.8

10

0.8

0.6

а!

а

г!

/,Ч

Кч

кч

Рисунок 1 - Кривые длительной прочности стеклопластиков ТС 8/3250 (а), Т (б), ТСУ 8/3-ВМ (в), ВПР-10 (г) и результаты испытаний О. Д ,□ -на растяжение, сжатие вдоль основы и срез поперек основы; А А,| - на

растяжение, сжатие вдоль утка и срез поперек утка; - - расчет по

предложенной методике;----оценка по методике Гольденблата-Копнова.

Соотношение (2) является достаточно общим. При Iин" = 0 и при условии некоррелированности значений ш, и сг,, из него следует соотношение В.В. Москвитина, а при дополнительном условии ш = 1 - соотношение Бейли.

Показано, что при ступенчатом нагружении величина остаточного ресурса на Ы-ой ступени нагружения определяется зависимостью

= (1М* - - [П(о-м.,;Д^.,)],/т' (3)

Учитывая, что в экспериментах и расчетах долговечности реальный спектр нагружения представляется в виде ступенчатых блок-программ, полученных с использованием различных способов схематизации нагрузок. Соотношение (3) может быть использовано для оценок остаточного ресурса изделия из КМ при эксплуатации.

Построенные по предлагаемой автором методике кривые усталости, удовлетворительно согласуются с результатами испытаний, а применение линейных законов суммирования повреждений приводит к значительным погрешностям и не отражает физическую суть процесса.

На основе разработанной модели накопления повреждений предложена методика выбора режимов эквивалентных ускоренных испытаний. В качестве критерия эквивалентности режимов выбрано равенство мер поврежденности перед последним этапом (ступенью) нагружения или равенство ресурсов на последнем этапе нагружения. Рассмотрены примеры определения остаточного ресурса и выбора режимов эквивалентных ускоренных испытаний.

В четвертом разделе приведены примеры практического применения предложенных в диссертации оценок прочности элементов авиаконструкций из КМ.

Предложенная в разделе 3 модель оценки остаточного ресурса и результаты испытаний были использованы в ЦНИИСМ для расчета натурного элемента конструкции самолета Ил-114, экспериментального отсека фюзеляжа, выполненного методом непрерывной намотки углеродных волокон на оправку с уложенными на ее поверхность эластичными материалами. В результате была получена оребренная конструкция (типа вафельной металлической) с развитыми по высоте подкрепляющими элементами, которые можно оптимально ориентировать по направлению векторов главных напряжений, что позволяет значительно (до 40%) снизить вес, отказаться от традиционной шпангоутно-стрингерной структуры конструкции, а также рационально менять по длине жесткость и прочность в соответствии с изменением внешних нагрузок.

Учитывая перспективность применения сетчатых конструкций в авиационной технике, были продолжены работы по совершенствованию методик расчета и проведению экспериментальных исследований.

Большое практическое значение для изделий АТ имеет динамический расчет оболочек, когда сжимающая сила является периодической функцией времени. Возникающие при этом колебания носят характер параметрических,

имеют своеобразные черты, существенно отличающие их от обычных вынужденных колебаний. В то же время, в зависимости от характера колебаний, они могут быть динамически устойчивыми или нет.

В представленной работе рассмотрена задача о нагружении сетчатой структуры из КМ периодически изменяющимися тангенциальными силами с малыми амплитудами, приложенными в срединной поверхности. В таком случае (при определенных соотношениях между частотой приложенной нагрузки 8 и частотой собственных колебаний со), начальная форма оболочки становится динамически неустойчивой. Ставится цель определить границу первой области неустойчивости оболочки сетчатой структуры.

Для решения данной задачи разработана методика расчета динамической устойчивости оболочек сетчатой структуры из КМ. Для оценок нижней 0ц и верхней 0к2 границ неустойчивости предлагаются соотношения:

e¡\pR2 = Sh2 sin4 <р___3_

Еа2 Л4(\ + 4S2 sin4 (pía2) 16л"2 eos4 <р'

0¡2Pr2 = S2h2 sin4 <р | 9 Еа2 Л4(1 + 4£2 sin4 <р/а2) Ш2 eos4 <р'

где Я - радиус оболочки; 8 ее толщина; р - плотность КМ; <р - угол ориентации ребер по отношению к оси оболочки; А. - коэффициент Ламе; И -высота ребра; а - шаг подкрепляющих элементов; Е - модуль упругости КМ.

Проведенный в представленной работе анализ показал, что основными причинами возникновения повреждения являются: естественное старение материалов, недостаточная прочность склейки, нарушение технологии при изготовлении, недостаточная межслоевая прочность пластика.

Как было указано выше, основными эксплуатационными повреждениями самолетов ГА являются дефекты соединений «композит-металл». В частности на самолетах ТУ-204 зафиксирован отрыв законцовок руля высоты и направления.

В связи с этим в диссертационной работе разработана конструкция и технология изготовления оригинального варианта соединения металл-композит с внедренными в металл и пластик в процессе формования последнего (до отверждения) крепежными элементами, которые не нарушают структуру армирования композита, обеспечивая монолитность стыка. Разработана методика оптимизации параметров такого соединения, представляющая собой многопараметрическую экспериментально-теоретическую задачу, сочетающую рациональным образом экспериментальные и аналитические подходы. Параметры соединения подбираются из условия равнопрочности стыка в

ослабленном сечении, смятию и срезу пластика, а также срезу силовой точки. При этом учитываются особенности соединяемых материалов из условия обеспечения рационального подбора параметров соединения. Приведены результаты сравнительного анализа результатов расчетов и соединений других типов с данными специально проведенных испытаний соединений. Показано, что предлагаемый вариант соединения выгодно отличается от винтовых и заклепочных с аналогичными геометрическими параметрами:

- отсутствует эксцентриситет приложения нагрузки:

- отсутствует повреждение армирующих волокон, чем обеспечивается более высокая прочность по ослабленному сечению;

- снижается концентрация напряжений у границ силовой точки;

- наличие беззазорного сопряжения, ослабляет действие ударных нагрузок и снижает вероятность усталостного разрушения.

Теоретические расчеты подтверждены экспериментом. Разрушающая нагрузка конструкции с радиальными штифтами, установленными в процессе памотки, в среднем на 17% выше, чем у аналогичного заклепочного соединения. Предлагаемый вид соединения рекомендован в ОАО «Туполев» для ремонта дефектных рулей направления и крепления кронштейнов подвески элеронов самолета Ту-204/120.

В этой же главе приведены результаты экспериментальных исследований усталостных характеристик КМ при режимах нагружения, эквивалентных эксплуатационным. Сформулированы требования к испытательному оборудованию и алгоритмам моделирования случайных нагрузок. Для практически важной номенклатуры КМ (стекло, органо- и углепластики) проведены исследования по влиянию асимметрии цикла, частоты нагружения, угла армирования на долговечность. Построены диаграммы предельных амплитуд и кривые выносливости органопластика «Армос» и углепластика УКН-5000. На рис. 2 показана диаграмма усталостной долговечности стеклопластика СВМ на связующем ЭХД в практически важном для ВС ГА диапазоне изменения нагрузок. Там же дается сопоставление эксперимента с результатами расчетов по предложенной методике. Приведенные данные свидетельствуют, что расчеты по традиционной и предлагаемой методикам практически совпадают в диапазоне 102 . . . 105 циклов. В области малого и большого числа циклов расчеты по предлагаемой методике дают более точные результаты. Поскольку для элементов конструкций ВС ГА характерно многоцикловое нагружение, именно в этой области уточнение расчетов имеет принципиальное значение (особенно при продлении ресурса).

Наряду с испытаниями образцов из КМ были проведены прочностные исследования остаточного ресурса элементов узлов стыка отсека фюзеляжа Ил-114. Экспериментальные исследования включали в себя испытания на долговечность и остаточную статическую прочность. Результаты испытаний приведены на рис. 3 и свидетельствуют о достаточной усталостной прочности конструкции узлов стыка.

за

та

275

240

205

170

135

п-'З 76.65-Щ831Ф

- X. \

- X о ооояя о 1 СО д'^ 1дН" •68е т /

- ) о\оо О о о о Уха V о о г1 ю

- ос о Л ЧчР ^ г^о о'<

- и О

- » 1 I V 1 \

РЬуо

О 1 2 3 ( 5 6 7 3

1дМ ——

Рисунок 2 - Дишрамма усталостной долговечности органопластика СВМ Рю.кгс

*-__^ _О

1

4 16 5 6 и 7

1дН —

Рисунок 3 - Диаграмма узла стыка корпуса

В пятом разделе приведены результаты разработки конструктивно-технологических решений по созданию метаплокомпозитного баллона для обеспечения авиалайнеров кислородными дыхательными системами.

В работе предлагается принципиально новый вид конструкции комбинированного металлопластикового баллона давления.

Металлический лейнер и силовая оболочка в предлагаемом баллоне раскреплены между собой, и в лейнере не возникают высокие напряжения и деформации. Это обстоятельство, во первых, позволяет баллонам выдерживать большое число циклов «нагрузка-разгрузка», т.е. значительно увеличить его эксплуатационный ресурс. Во вторых, отсутствие напряжений и деформаций в лейнере позволяет изготавливать его со сварными швами, что значительно удешевляет конструкцию. В третьих, отсутствие деформаций в лейнере позволяет оптимизировать схему намотки силовой оболочки, не лимитируя её жесткостные характеристики. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики баллонов различной емкости.

Таблица 1

V., Рраб Масса, кг и удельный вес баллонов производства

1 дм' МПа

ЗАО m/V Зарубежные производители m/V

«САФИТ»

45 23,0 10 0,22 18 EDO 0,40

15,6 NASA 0,35

20 Dynetek 0,45

60 23,0 15 0,25 19,2 EDO 0,32

24 Lincoln Composites 0,40

22 Dynetek 0,37

20 ' 32,0 6,2 0,31 —

6,8 30,0 2,2 0,32 3,8 Luxfer 0,56

3,8 SCI 0,56

3,6 MCS 0,53

2,0 30,0 0,95 0,47 1,6 Luxfer 0,8

1,6 SCI 0,8

Проектные параметры цилиндрической части баллона выбирались по несущей способности армирующего жгута. Угол армирования ф0; на экваторах днищ определялся из условия геодезического расположения жгута армирующего материала по поверхности днища:

Фы = агс вш М), (6)

где с1о1Ай - диаметры полюсных отверстий переднего и заднего днища.

Количество спиральных жгутов п5 определялось из условия:

п8 = (лР0 КР (I2) / (4Т С05 фок), (7)

где Р0 - внутреннее рабочее давление; КР - коэффициент безопасности; сЗ - внутренний диаметр цилиндрической части; Т - разрывная нагрузка

армирующего жгута; фок — наиболее значение из (р0,\

Количество кольцевых жгутов П^ на единицу длины определим из соотношения:

N1, = Р0 Кр (1 / 2Т (8)

Донные части силовой оболочки проектируются как оболочки вращения оптимальной формы, образующие которых определяются из условия совпадения траекторий укладки армирующего материала с траекториями главных напряжений. Формы днища в этом случае представляется вращением кривой, называемой в литературе изотенсоидом, описываемой с помощью эллиптических интегралов. При этом учитывается влияние металлического лейнера, т.е. допускается, что пластические деформации в материале лейнера возникает только при достижении разрушающего давления.

Приведены результаты проектирования и расчета на примере баллона ёмкостью 50 л. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие соответствие заданным эксплуатационным требованиям. Предложенные методики позволили создать универсальную технологию изготовления металлокомпозитных баллонов с весовыми и эксплуатационными характеристиками, превосходящими зарубежные аналоги по всем показателям.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведен анализ эксплуатационных повреждений элементов конструкций АТ из КМ в результате которого выделены наиболее значимые причины появления дефектов: недостаточная прочность склейки вследствие нарушения технологии при изготовлении, проникновения влаги в зону среза обшивки из металла с пластиком и недостаточная эффективность методов неразрушающего контроля.

2. Разработана методика описания статической прочности и долговечности КМ при эксплуатационных режимах нагружения с учетом особенностей деформирования и разрушения композитов, а также инкубационного периода накопления повреждений, позволяющая дать уточненную оценку характеристик живучести конструкций АТ и КМ.

3. Разработана методика оценки остаточного ресурса элементов АТ из КМ, учитывающая предысторию нагружения и основанная на нелинейной модели накопления усталостных повреждений, которая наиболее полно соответствует физике деформирования и разрушения КМ.

4. Разработана методика динамической устойчивости сетчатых оболочек из КМ, учитывающая дискретность подкрепления, которая аппробирована на примере экспериментального отсека фюзеляжа ВС Ил-114, позволяющая проводить проектирование сетчатых конструкций при действии нагрузок, переменных во времени.

5. Предложен новый метод соединения «металл-композит» отличающийся тем, что соединение выполнено с внедренными в процессе формования (до отверждения) в пластик крепежными элементами. Проведена оптимизация параметров соединения и приведены экспериментальные результаты испытаний образцов стыков.

6. Разработан комплекс конструктивнно-технологических решений, позволяющий создать металокомпозитиые баллоны высокого давления с тонкостенным сварным стальным или титановым лейнером, раскрепленным с оптимально спроектированной силовой оболочкой из высокопрочного углеволокна, для снабжения авиалейнеров ГА кислородными дыхательными системами в 2 ... 3 раза меньшего веса по сравнению со стальными аналогами и обеспечивающий соответствие требованиям ИКАО по безопасности авиаперевозок.

7. Разработаны методики испытаний КМ, проведены экспериментальные исследования долговечности КМ на основе стеклопластиков ТС 8/3-250, Т1, Т42, ТСУ8/3-ВМ, органопластиков типа «Армос», углепластиков УКН-5000 на основе связующих типа ЭХД, составляющих основу применяемых в элементах АТ из КМ.

8. Экспериментально получены усталостные кривые образцов материалов и элементов конструкций АТ из КМ, позволяющие определить величину остаточного ресурса.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ

1. И.К. Лебедев. Перспективы создания взрывобезопасных контейнеров для перевозки багажа авиапассажиров// Исследование характеристик элементов ГТД и некоторые вопросы технического обслуживания ГТД. М.: 1996.4с.

2. В.А. Бунаков, И.К. Лебедев. Динамическая устойчивость оболочек сетчатой структуры из композиционных материалов// Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация ВТ и ремонт AT». № 29, М.: МГТУ ГА, 2000. бс.

3. И.К. Лебедев, К.Н.Лебедев, В.П.Исаев и др.Стекловолокнистые трубы нового поколения армпласт для нефтяной отрасли. Сибирский промышленник.№ 1,2002. 2с.

4. И.К. Лебедев, В.В. Никонов. Определение остаточного ресурса и эквивалентных режимов испытаний элементов авиаконструкций из КМ// Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию гражданской авиации России. 17-18 апреля 2003 г., М.: МГТУ ГА, 2003.

5. К.Н. Лебедев, В.П. Исаев, И.К. Лебедев, A.B. Смирнов. Особенности использования композитных материалов для труб нефтяного сортамента// Нефтяное хозяйство, № 5, 2002. 2с.

6. И.К. Лебедев. Оптимизация варианта соединения авиационных конструкций из КМ и методика расчета его НДС// Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация ВТ и ремонт AT. Безопасность полетов». №85, М: МГТУ ГА, 2005. 5с.

7. И.К. Лебедев. К.Н. Лебедев. Разработка новых технологий производства труб из высокопрочных композиционных материалов. 111 Международная конференция Газотранспортные системы: настоящее и будущее 27-28 октября 2009. Сборник докладов. М. Газпром-ВНИИГАЗ,

8. И.К. Лебедев Высокопрочные облегченные баллоны высокого давления для систем управления и жизнеспособности гражданской авиации// Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация ВТ и ремонт AT. Безопасность полетов». № 134 (10). М.: МГТУ ГА, 2008. 5с.

9. И.К. Лебедев, Н.Г. Мороз, М.С. Рязаев, C.B. Лукьянец. Лейнер баллона высокого давления// Патент № 2353851,2008.

10. В.П. Исаев, И.К. Лебедев, К.Н. Лебедев. В.Н. Чернышев, И.А. Егоренков// Патент № 2375174. Способ изготовления изделия трубчатой формы. 2009.

2010. 2с.

Соискатель

Лебедев И.К.

Подписано в печать 22.02.11 г Печать офсетная Формат 60x84/1 б 1,02 уч.-изд. л. 1,04 усл.печл._Заказ № 1225/^7_Тираж 80 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-юдателъшт отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2011

Введение.

1 Особенности применения композиционных материалов в конструкции современных ВС и состояние проблемы по оценкам их ресурсных характеристик.

1.1 Области и особенности применения композиционных материалов в конструкции планера и двигателя.

1.1.1 Использование композиционных материалов в конструкции планера.

1.1.2 Применение композиционных материалов в существующих и перспективных газотурбинных двигателях.

1.2 Эксплуатационные повреждения элементов из композиционных материалов и анализ причин их возникновения.

1.3 Использование композиционных материалов при восстановительном ремонте элементов авиаконструкций.

1.4 Постановка задач исследования.•.

2 Специфика деформирования, разрушения и особенности долговечности образцов и конструкций из КМ.

2.1 Особенности сопротивления разрушению КМ.

2.2 Испытательное оборудование для моделирования эксплуатационных нагрузок.

3 Оценка ресурсных характеристик материалов из КМ при статической и динамической усталости.

3.1 Построение уравнений статической усталости при простом растяжении от времени испытаний до разрушения

3.2 Накопление повреждений в материалах, находящихся длительное время в напряженном состоянии. Методика определения остаточного ресурса.

3.3 Сопоставление результатов расчетов с данными экспериментов.

3.4 Выбор режимов эквивалентных ускоренных испытаний.

4 Прикладные задачи оценка прочности элементов авиаконструкций из КМ.

4.1 Методика расчета динамической устойчивости оболочек сетчатой структуры из композиционных материалов.

4.2 Оптимизация варианта соединения авиационных конструкций из композиционных материалов и методика расчета его НДС.

4.3 Экспериментальные исследования усталостных характеристик композиционных материалов при режимах нагружения, эквивалентных эксплуатационным.

4.3.1. Результаты испытаний образцов материалов.

4.3.2 Результаты испытаний образцов элементов конструкций

5 Высокопрочные металлокомпозитные баллоны высокого давления для систем управления и жизнеобеспечения гражданской авиации

5.1 Разработка сверхлегкого металлокомпозитного баллона высокого давления.

5.2 Результаты проектирования и испытаний металлокомпозитных баллонов высокого давления.

5.3 Проектирование цилиндрической части баллона по несущей способности (разрывной нагрузке) армирующего жгута.

5.4. Технология изготовления баллона.

Приоритетной задачей современного этапа развития воздушного транспорта, является повышение безопасности, регулярности полетов и эффективности использования воздушных судов (ВС). Безопасность использования авиационной техники (АТ) в значительной степени определяется надежностью, заложенной при ее проектировании и производстве, применением прогрессивных концепций конструирования АТ с использованием современных, прежде всего, композиционных материалов (КМ).

В настоящее время наблюдается исчерпание технических возможностей традиционных в гражданской авиации материалов. Значительный рост тактико-эксплуатационных показателей ВС возможен, в значительной степени, за счет более широкого использования новых композиционных материалов (КМ), которые в достаточно массовом количестве были внедрены на самолетах Ил-86, Ил-96, Ту-204, Ту-334.

Так, например, на самолете Ту-204 до 30% поверхности крыла (элероны, закрылки, рули высоты и направления) делаются из композитов. Уже есть опыт применения армированных пластиков для обтекателей, отсеков фюзеляжей, мотогондол, валов, дисков лопаток компрессоров и турбин, воздухозаборников, звукоизолирующих экранов и т.п.

При этом надо отметить, что более широкому внедрению композиционных материалов препятствует отсутствие опыта длительной эксплуатации конструкций из КМ, результатов исследования изменения механических характеристик при длительных циклических нагрузках, которым подвергаются элементы АТ в процессе эксплуатации. На это накладываются и традиционные трудности поддержания летной годности самолетов ГА:

1. Невозможность проведения полномасштабных натурных испытаний конструкций для подтверждения ресурса. Это связано с тем, что такие испытания дорогостоящие и источники финансирования (в виду того, что компании-эксплуатанты - негосударственные), неопределенны.

2. Переход авиатехники на эксплуатацию по состоянию, что фактически означает отказ от плановых ремонтов. Это приводит к тому, что базы данных о дефектном состоянии конструкций сильно сужены. Если для конструкций из традиционных материалов статистика по самолетам-аналогам еще достаточно репрезентабельна и её можно использовать для прогнозирования техсостояния, то ситуация с элементами конструкций из композиционных материалов - значительно сложнее.

Введенные в действие 30.12.96 г. МАК к разделу АП 25.571 методы определения «Обеспечения безопасности при длительной эксплуатации» (МОС к АП 25.571) допускают использование принципа безопасности ресурса только в том случае, если невозможно обеспечить эксплуатационную живучесть. Под эксплуатационной живучестью понимается обобщенный термин, характеризующий свойства конструкции и способ обеспечения её безопасности по условиям прочности и включающий в себя допустимость повреждения и безопасность разрушения (повреждения). Поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к увеличению объемов расчетных и экспериментальных исследований живучести и конструкций.

Важным направлением исследований является разработка и совершенствование методов оценки характеристик живучести. Они служат основой для определения периодичности контроля, гарантирующего своевременное обнаружение повреждений, обеспечивая тем самым безопасную эксплуатацию ВС по условиям сопротивления усталости.

Несмотря на значительные результаты, полученные специалистами ЦАГИ, ОКБ, ГосНИИ ГА и других организаций, связанных с прочностными исследованиями и эксплуатацией ВС, ряд проблем живучести требует уточнений. В частности это относится к оценкам характеристик живучести при режимах нагружения, характерных для условий эксплуатации.

Вопросы безопасной эксплуатации воздушных судов гражданской авиации, продления ресурса уже находящийся на обслуживании техники тесно связаны с теорией определения остаточного ресурса и проведением лабораторных испытаний на режимах эквивалентных эксплутационным с целью подтверждения ресурса либо выбора критерия оценки повреждений в процессе эксплуатации. Все это особенно актуально для сегодняшнего состояния парка гражданской авиации.

Основной недостаток почти всех существующих методов оценки остаточного ресурса и выбора испытательных нагрузок заключается в том, что только в отдельном элементе конструкции воспроизводится один или несколько определенных параметров (величина компоненты напряжения, деформация, температура) и остается открытым вопрос о величине накопленных необратимых повреждений и не гарантируется равенство остаточных ресурсов после испытаний и в реальной эксплуатации.

В настоящей работе сделана попытка рассмотрения проблемы с наиболее общих позиций нелинейной механики разрушения композиционных материалов под действием длительно действующих нагрузок.

Наиболее простым способом учета истории деформирования является введение в рассмотрение некоторой функции П (1), отражающей накопление изменений за время нагружения. При этом аналогично В.В. Москвитину [123] предполагаем, что на величину <1 П / с! I оказывает влияние не только действующее напряжение <т (0 в момент времени I, но и те напряжения, которые существовали за время 0 < т >1 с некоторой функцией влияния Б

Настоящая работа ориентирована на разработку методов оценки указанных характеристик и обоснование периодичности контроля силовых элементов планера ВС, что определяет её актуальность и практическую значимость.

При написании настоящей работы автор ставит своей целью разработать и усовершенствовать практически реализуемые методы расчетов основных характеристик живучести в условиях эксплуатации элементов ВС из КМ. Исходя из поставленной цели, была определена структура диссертационной работы, и сформулированы основные задачи :

- экспериментально обосновать и разработать методику описания статической и динамической усталости и оценки остаточного ресурса элементов АТ из КМ при эксплуатационных режимах нагружения, которая наиболее соответствует физике деформирования и разрушения композитов;

- разработать модель расчета динамической устойчивости оболочек сетчатой структуры из КМ;

- на основе анализа технического состояния элементов конструкций из КМ и их дефектов, выявленных на ВС, предложить рекомендации по ремонту поврежденных агрегатов; провести экспериментальные исследования статической и динамической усталости образцов материалов и элементов авиаконструкций из КМ:

- разработать МК баллоны с меньшим весом по сравнению с металлическими аналогами и в тоже время, отвечающие требованиям ИКАО по безопасности авиаперевозок.

Автором получены следующие результаты и разработки, выносимые на защиту :

- результаты экспериментальных исследований образцов материалов на основе наиболее применяемых в элементах АТ стекло-, органо- и углепластиков, проведенных на испытательных машинах с автоматизированной системой управления;

- результаты экспериментальных исследований образцов элементов конструкций АТ из КМ;

- метод оценки остаточного ресурса элементов АТ из КМ, учитывающий предисторию нагружения и основанный на нелинейной модели накопления усталостных повреждений;

- метод расчета динамической устойчивости оболочек сетчатой структуры из КМ;

- способ соединения металл-композит с внедренными в пластик в процессе изготовления (до отверждения) крепежными элементами и расчетно-экспериментальная методика оптимизации стыка;

- комплекс конструктивнно-технологических решений, позволяющий-создать металлокомпозитные баллоны высокого давления с тонкостенным сварным стальным или титановым лейнером, раскрепленным с оптимально спроектированной силовой оболочкой из высокопрочного углеволокна, для снабжения авиалейнеров ГА кислородными дыхательными системами.

Достоверность полученных результатов подтверждена корректным использованием математического аппарата, нелинейной теорией механики деформирования и разрушения полимерных материалов, результатами тестовых проверок, а адекватность - сопоставлением результатов расчетов с данными натурных и лабораторных испытаний.

Результаты диссертационной работы практически применимы: в научно-исследовательских лабораториях при проведении экспериментальных исследований циклической долговечности материалов и элементов конструкций;

- в НИИ ГА, ОКБ для оценки степени опасности усталостного повреждения и расчетов ресурса на стадиях проектирования и эксплуатации;

- для обоснования и расчетов периодичности контроля тонкостенных элементов планера ВС из КМ.

Основные положения диссертационной работы внедрены в Гос НИИ ГА для оценок периодичности контроля силовых элементов планера ЛА, в

ОНИЛ-15 МГТУ ГА для обоснования режимов нагружения при эксплуатационных исследованиях, в учебный процесс при выполнении дипломных работ студентами специальности 130300 «Эксплуатация ЛА и АД» и занятиях по дисциплине «Повреждаемость и живучесть ЛА и АД» для магистрантов, в ОАО «Туполев».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию ГА России «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (г. Москва, МГТУ ГА, 2003 ., 17-18 апреля), научно-техническом семинаре ОНИЛ 15. В полном объеме докладывалась на расширенном научно-техническом семинаре кафедры «Двигатели летательных аппаратов».