автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Использование режима термодеформационного старения при изготовлении деталей летательных аппаратов из алюминиевого сплава B95

На правах рукописи

КРИВЕНОК АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЖИМА ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В95

Специальность 05.07.02 -Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре — 2013

5 дек гт

005542215

Работа выполнена на кафедре «Технология самолётостроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»),

Научный руководитель:

Крупский Роман Фаддеевич, кандидат технических наук, доцент, главный научный сотрудник филиала ОАО «Авиационный холдинг «Сухой» ОАО «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина»

Официальные оппоненты:

Марьин Сергей Борисович, доктор технических наук, профессор кафедры «Машины и технология литейного производства» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета

Прохоров Андрей Германович, кандидат технических наук, главный технолог филиала ОАО «Авиационный холдинг «Сухой» ОАО «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина»

Ведущая организация:

ОАО «Иркутский научно-исследовательский институт авиационной техники и организации производства» (ОАО «Иркутский НИАТ», г. Иркутск)

Защита диссертации состоится « 23 » декабря 2013 г. в 13°° на заседании диссертационного совета Д 212.092.06 при Комсомольском-на-Амуре техническом университете по адресу: 681013 г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан « 22 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.092.06 к.т.н., доцент

Д.Г. Колыхалов

Е-таП: кпуепок a@mail.ru

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

С развитием авиационной техники возрастают требования к эффективности, экономичности и надежности самолетов, что связано с уменьшением материалоемкости конструкции, увеличением удельной прочности и жесткости деталей планера, применением высокопрочных и трудноде-формируемых сплавов. Значительная доля деталей летательных аппаратов (ЛА) изготавливается из высокопрочных алюминиевых сплавов системы А1-2п-Мй-Си (В95пч/оч, В96ц-3пч, 1163Т и др.). Так массовая доля алюминиевых сплавов в планере 881-100 составляет более 80% из них более 40% сплав В95, который используется в таких деталях силового набора планера как шпангоуты, стрингера, нервюры, крыльевые панели и др.

Изготовление деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов накладывает на технологический процесс ряд ограничений по условиям термической обработки и предельным деформациям. Изготовление крупногабаритных монолитных деталей, таких как вафельные (оребреные) панели и панели обшивок, со сложной теоретической поверхностью имеют низкую технологичность, связанную с особенностями традиционных технологий. При изготовлении деталей из стандартных полуфабрикатов фрезерованием приходится снимать большой объем материала, что значительно снижает технологичность детали. Это связано с низким коэффициентом использования материала (КИМ) и большим машинным временем обработки. При этом также снижаются прочностные характеристики детали из-за прореза-ния волокон материала. Использование в качестве заготовок поковок приводит к значительному короблению деталей при фрезеровании из-за высоких градиентов остаточных напряжений в материале заготовки. Применение штамповок в качестве заготовок для изготовления крупногабаритных деталей ограничивается с одной стороны возможностями прессового оборудования, а с другой стороны, в условиях мелкосерийного авиационного производства, высокой стоимостью штамповой оснасткой.

Прогрессивным направлением изготовления сложных пространственных деталей является медленное деформирование заготовки в режиме ползучести за один переход, обеспечивающее высокую точность геометрии и сохранение ресурса материала деталей. Тенденции мирового авиастроения направлены на увеличение использования монолитных панелей сложной пространственной формы, что требует поиска технологических процессов их изготовления с обеспечением высокого качества.

Формообразование деталей из высокопрочного алюминиевого сплава В95 является сложным и критическим технологическим процессом. Пластическая деформация (прежде всего в искусственно состаренных состояниях) жестко регламентируется из-за отрицательного влияния на такие характеристики как прочность, пластичность, усталость и трещиностой-кость. Ограничения установленные ФГУП "ВИАМ" на температурные режимы пластического деформирования сплава В95 (не более 150 °С) значительно ограничивает возможности формообразования деталей из-за слабой деформируемости материала при этих температурах. Формообразование в режиме ползучести для сплава В95 целесообразно проводить при температурах 160... 180 °С. Однако в этом температурном диапазоне активируются процессы искусственного старения сплава что приводит к понижению прочностных свойств.

В связи с широким применение сплава В95 в деталях сложной геометрической формы, и ограничениями по температуре и степени деформирования требуется разработка технологии позволяющей преодолеть существующие противоречия. Разработка технологических процессов оптимального деформирования заготовок деталей из сплава В95 в условиях термодеформационного старения (т.е. процесс деформирования совмещенный с искусственным старением материала) имеет высокую актуальность для современного авиастроения.

Цель работы

Разработка ресурсосберегающей технологии изготовления деталей ЛА из высокопрочного алюминиевого сплава В95.

Задачи исследования:

1. Определить параметры формообразования заготовок деталей из сплава В95очТ2Ф в режиме термодеформационного старения.

2. Определить физико-механические характеристики пластичности и ползучести сплава В95очТ2Ф в условиях заданного температурно-скоростного режима.

3. Разработать инженерную методику проектирования технологического процесса формообразования деталей в режиме термодеформационного старения и средств его оснащения.

4. Провести численное моделирование технологических процессов изготовления деталей сложной пространственной формы в условиях термодеформационного старения.

5. Провести экспериментальную проверку адекватности разработанной методики проектирования технологических процессов изготовления деталей в режиме термодеформационного старения.

6. Апробировать разработанный технологический процесс изготовления деталей силового набора ЛА с применением термодеформационного старения и инженерную методику его проектирования в условиях производства, а также оценить его экономическую эффективность.

Объектом исследования является технологический процесс изготовление деталей ЛА из сплава В95 в режиме ползучести.

Предметом исследований является повышение эффективности процесса формообразования деталей ЛА из сплава В95 в режиме ползучести, совмещенном с процессом старения материала, по критериям: снижения остаточных напряжений при формообразовании, сохранения прочностных характеристик детали и повышение качества.

Методы исследований

Теоретические методы исследований процессов деформирования базируются на классических положениях механики сплошной среды, теории упругости, теориях пластического и ползучего деформирования.

Численные экспериментальные исследования осуществлялись с использованием программного комплекса МБС.Магс. Натурные эксперименты проводились с использованием экспериментальных гибочных приспособлений и оснастки, стандартных средств измерений с применением стандартных методов обработки результатов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью применения математического аппарата и принятых допущений, применённых при разработке моделей, хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также успешной апробацией в условиях авиационного производства.

Автор выносит на защиту:

1. Разработанный технологический процесс формообразования деталей ЛА в режиме термодеформационного старения.

2. Инженерную методику проектирования технологических процессов термодеформационного старения при формообразовании деталей летательных аппаратов.

Научная новизна

1. Установлена возможность применения термодеформационного старения в процессе формообразования деталей силового набора ЛА из высокопрочных алюминиевых сплавов.

2. Разработаны алгоритмы параметризации криволинейных деталей, реализованные в ряде программных модулей.

Практическая значимость и внедрение результатов

1. Разработан технологический процесс изготовления деталей ЛА из сплава В95очТ2Ф в режиме термодеформационного старения, с сохранением ресурсных характеристик материала детали.

2. Экспериментально установлено влияние усадки материала при термодеформационном старении сплава В95очТ2Ф на геометрические параметры детали.

3. Разработана инженерная методика определения технологических параметров формообразования деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов в режиме термодеформационного старения.

4. Разработаны программы параметризации геометрии криволинейных деталей по электронным моделям в CAD системе Siemens Software NX.

5. Результаты работы использованы при изготовлении крыльевых панелей пассажирского самолета SSJ-100 в филиале ОАО «Авиационный холдинг «Сухой» ОАО «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина».

Реализация результатов работы

Разработанная технология изготовления криволинейных деталей силового набора ЛА из высокопрочных алюминиевых сплавов в режиме термодеформационного старения внедрена в производство на Комсомольском-на-Амуре авиационном заводе им. Ю.А. Гагарина - филиале ОАО «Авиационный холдинг «Сухой» ОАО «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина» и применяется при изготовлении верхних крыльевых обшивок самолета SSJ-100.

Также результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология самолетостроения» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» при проведении лекционных и лабораторно-практических занятий по дисциплинам «Технологии изготовления деталей самолета» и «Проектирование процессов и оснастки заготовительно-штамповочного производства» для студентов всех форм обучения.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: «Будущее машиностроения России», Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов, МГТУ им. Баумана - Москва, 2010г; «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы», Международный симпозиум, ГОУВПО «КнАГТУ» - Комсомольск-на-Амуре, 2010г.; «III Всероссийский конкурс молодых ученых», Всероссийский конкурс молодых ученых, РАН - Москва, 2011г.; «Перспективные технологии самолетостроения в России и мире», Всероссийская научно-практическая конференция молодых специалистов и ученых, СибНИА - Новосибирск, 2011г.; «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России», международная молодежная конференция, ВИАМ - Москва, 2012г.; «Исследования и перспективные разработки в машиностроении», Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов, ОАО «КнААПО» - Комсомольск-на-Амуре, 2012г.; «Молодежь и будущее авиации и космонавтики», Всероссийский конкурс научно-технических работ и проектов, МАИ - Москва, 2012г.; Краевой конкурс молодых ученых и аспирантов, ТОГУ - Хабаровск, 2013г.; «Авиамашиностроение и транспорт Сибири», III Всероссийская научно-практическая конференция, ИрГТУ - Иркутск, 2013г.;

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. В журналах рекомендуемого ВАК РФ перечня опубликовано 4 статьи. Также получено свидетельство на программу ЭВМ и 1 патент.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов по работе (заключения) и библиографического списка из 84 наименований. Материалы работы изложены на 156 страницах машинописного текста, включает 55 рисунка, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведена оценка области применения панелей и криволинейных деталей в силовом наборе конструкции планера ДА. Рассмотрены конструктивные особенностей таких деталей силового набора как сегменты шпангоутов, пояс бортовой нервюры и крыльевые панели. Проведен анализ основных технологических процессов изготовления криволинейных деталей силового набора из высокопрочных алюминиевых сплавов, который показал, что одним из наиболее эффективных процессов является обработка материала давлением.

Проведен обзор научных работ по теме исследования. Рассмотрены работы ученых по исследованию влияния процессов деформирования на ресурс материала. Описаны особенности обработки алюминиевых сплавов давлением при температуре и влияние температуры на их старение. Для обеспечения высокой прочности, коррозионной стойкости и размерной стабильности при изготовлении деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов предложен режим термодеформационного старения, который является процессом высокотемпературного формообразования, при котором происходит деформационное старение, т.е. старение - под нагрузкой.

Определены задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются процессы горячего деформирования материала, формализуется режим термодеформационного старения.

В технологиях деформирования материала широкое применение имеет пластическое деформирование заготовок в свежее закаленном состоянии, как способ, обладающий наиболее высокими деформационными характеристиками. Однако пластическая деформация закаленного материала, как правило, ускоряет процесс старения и изменяет его механизм,

что приводит к огрублению структуры и, соответственно, к ухудшению ресурсных характеристик (пластичности, трещиностойкости, усталости).

Для сохранения ресурса материала предложен процесс термодеформационного старения, который характеризуется процессом деформирования совмещенного с искусственным старением (рис. 1). При этом происходит не обычное статическое, а деформационное старение.

Металлургический завод

Изготовление плиты

В95оч, закалка, 1-н ступень старсння

Формообразование .

заготовки ; |

+ I

Н-'Яступеньстарення I

Авиационный завод |

Рис. 1. Схемы замены процесса формообразования

Процесс старения алюминиевых сплавов протекает в несколько стадий, и сопровождается фазовыми превращениями, которые могут привести к неконтролируемому изменению размеров. При состаривании алюминиевого сплава максимальные значения предела прочности можно получить при более низких температурах искусственного старения. Однако при испытаниях на коррозию под напряжением, чем ниже температура старения, тем больше склонность сплава к коррозионному растрескиванию. Ступенчатое старение значительно повышает коррозионную стойкость сплава В95. Изменяя вторую ступень (в случае ступенчатого старения), можно заметно повысить пластичность, а также сопротивление коррозии под напряжением и снизить остаточные напряжения, но за счет снижения прочности.

Выбор температурно-временнных режимов деформирования алюминиевых сплавов рекомендуется выполнять в существующих рамках сту-

Формообразование состаренного материала

пенчатых режимов старения. Также при выборе режимов необходимо учитывать результаты исследований механических свойств (рис. 2), удельной электропроводимости, малоцикловой усталости, характеристик трещино-стойкости, коррозионной стойкости, электронномикроскопических исследований структуры.

Температурный диапазон 2й ступени искусственного старения по ТУ1 -92-161-90

Ступень Температура Время

старения старения, °С старения, час

1 110...120 5...10

2 160...170 10...20

Рис. 2. Влияние длительных нагревов на сплав В95 в состоянии Т1,Т2 при комнатной температуре

Высокопрочный сплав В95 является современным алюминиевым сплавом системы А1-2п-М§-Си, для повышения коррозионной стойкости подвергающийся двухступенчатому смягчающему режиму Т2. Так для сплава В95оч и состояния Т2 был выбран следующий режим термодеформационного старения с промежуточным режимом старения:

- при изготовлении заготовки проведение закалки при температуре 470 °С с последующей растяжкой со степенью остаточной деформации 1,9...2,8%;

- 1 ступень искусственного старения проводить по режиму 115±5 °С,

10 ч.

- 2 ступень искусственного старения проводится по режиму 10... 11 ч. с одновременным деформированием.

Максимальная длительность старения на первой ступени (10 ч) выбрана для повышения уровня трещиностойкости и коррозионной стойкости. С увеличением длительности формообразования, снижаются прочностные свойства, особенно, предел текучести, степень РСК, растут удлинение и удельная электропроводимость. Для сохранения механических свойств, выдержка при формообразовании должна быть не более 11 ч, а для обеспечения степени расслаивающей коррозии — более 10 ч.

Процесс формообразования деталей в режиме термодеформационного старения можно описать деформациями ползучести. Медленные деформации ползучести по сравнению с быстрыми упругопластическими деформациями показывают снижение усилий формообразования и остаточных напряжений. Определяющими параметрами ползучести является температура, время нагружения и период ускоренной стадии релаксации.

При определении технологических параметров процесса формообразования в режиме термодеформационного старения необходимо решать задачи изгиба, при котором происходит упругое или упругопластическое деформирование и последующей релаксацией напряжений за счет ползучести материала.

Расчет кривизны детали с учетом упреждения на величину упругого восстановления должен основываться на расчетах упругопластического деформирования и релаксации напряжений в ней. Пусть деталь изгибается некоторой нагрузкой до радиуса Яо и удерживается при температуре формообразования время 1ф. Требуется определить величину упругого восстановления Д=Хо-Хк0ф) после снятия нагрузки через время 1ф , где Ха=1/Я0 -начальная кривизна, - остаточная кривизна после упругого восста-

новления.

Величина упругого восстановления определяется моментом действующим в сечении балки на время снятия нагрузки Д=М(1ф)/Ш, где 1 - уп-

ругий момент инерции сечения детали. Расчеты напряженно-деформированного состояния проводим на основе гипотез для чистого изгиба. Общая деформация складывается из упругой, пластической и деформации ползучести

f-lolal Eelaslic^~ £creep+ Aplastic ИЛИ (T/£"Ь Eplastic~^~ ^creep

и уравнения

jfcr-:dF = M,

1 \<rdF = О

Известными методами с учетом геометрии сечения балки определяется напряженное состояние в начальный момент времени. Здесь S - положение нейтрального слоя относительно начала координат; z - координата по высоте балки; F - площадь сечения.

£phstic=K <Р - мгновенная пластическая деформация.

ECreep=f(o,t,T) - деформация ползучести, которая зависит от напряжения, времени и температуры где скорость деформирования определяется по степенному закону ползучести è = Beт". + ecr..P )dF-z„ f- dF

Найденное напряженное состояние является начальным состоянием материала перед релаксацией. Из известных начальных условий определится интегрально-дифференциальное уравнение для определения деформаций ползучести по высоте сечения во времени:

е = /{ер1М1с <,=),е„,,Р

Разбивая сечение на интервалы по высоте и заменяя интегралы в /{£еь,*Л:)>£ю,Р(0>Хо>д) конечными суммами, получили систему дифференциальных уравнений относительно експ1р. По найденным деформациям ползучести и полученным ранее упругопластическим деформациям численно определяются напряжения по высоте сечения на любой момент времени.

Остаточный момент и упругое восстановление балки вычисляется соответственно по формулам

Распределение остаточных напряжений в балке по высоте, в зависимости от времени выдержки под нагрузкой, определяется по формуле

где о(Х) - распределение напряжений по сечению в определенный момент времени I.

Изменяя начальную кривизну хо по результатам расчетов, получим набор остаточных кривизн х* Для одной и той же продолжительности процесса ¡ф. При расчете процесса релаксации внутренних напряжений используем следующие уравнения:

а/Е+ ер1ш11с+ есгеер = х(0 <- + 3), S = --—-2-

Z\4's

Далее процесс нагружения разбивается на интервалы во времени At и на каждый момент времени решается уравнение ё = £„„,,(')./о-5)-

При анализе эволюции напряженно-деформированного состояния в процессе формообразования с использованием ползучести целесообразно основываться на методе конечных элементов (КЭ), реализованного в CAD/CAE системах, которые могут обеспечить решение квазистатических нелинейных пространственных задач для упруговязкопластических тел сложной геометрии с учетом больших прогибов.

В третьей главе раскрыты методы и алгоритмы, обеспечивающие анализ геометрии деталей, определение технологических параметров изготовления деталей и разработка КЭ моделей и установка параметров расчета в программном пакете MSC.Marc. На рисунке 3 показаны основные этапы расчета технологических параметров и анализа результатов процесса формообразования детали.

Рис. 3. Структурно-функциональная схема анализа технологических параметров процесса термодеформационного старения

В современных JIA детали обладают сложной геометрией, поэтому предлагается параметризовать деталь таким образом, чтобы можно было проводить расчет нескольких участков детали с относительно постоянным сечением. Для этих целей был разработан модуль под CAD систему Siemens Software NX. Параметризация геометрии осуществляется по заданной базовой поверхности 3D модели, поверхности перпендикулярной базовой и количествам сечений. В результате работы модуля пользователь получает набор сегментов со следующими данными: радиус кривизны сегмента, длина базовой плоскости сегмента, набор координат образующих геометрию сечения.

Для более точного и подробного анализа процесса деформирования в режиме тремодеформационного старения применялся конечно-элементный пакет MSC.Marc. Широкие возможности моделирования нелинейных процессов позволяет моделировать сложное поведение материала. С учетом основных факторов влияющих на материал: напряжение, время, температура КЭ модель решается в термостатической постановке. В этой постановке полная деформация в материале будет иметь следующий вид:

£ total £ elastic^ £creep~^~ Aplastic £term~^ £shrinkage

где E,0,ai - полная деформация,

Zdasuc=o/E - упругая деформация,

ECreep=f(o,t, T) - деформация ползучести, которая зависит от напряжения, времени и температуры е = Ba't.

£piastic=f(<7) - пластическая деформация, которая определяется независимо от других компонентов деформации и зависит от напряжения в материале. Эта функция задается либо степенной зависимостью, либо линейно-кусочной аппроксимацией заданной на основании экспериментальных данных. Важно чтобы упругопластическая характеристика соответствовала тем скоростным режимам, при которых проходит процесс деформирования.

Eterm=o-(T) - деформация температурного расширения, которая зависит от температуры.

£shrinkage=(l+ vff'-l - деформация усадки. В системе MSC.Marc усадочная деформация вычисляется согласно процессу объемного сжатия. Степень усадки а$ определена как отношение объема усадки Vf к максимальному объемному усадки V?' состарившегося материала. Рассматривая анизотропное поведение усадки нужно указать соответствующие компоненты деформации.

Дня опробования технологии термодеформационного старения на деталях профильного сечения был выбран сегмент шпангоута самолета SSJ-100 (рис. 4). Процесс изготовления этой детали моделировался по следующим операциям:

1. Формообразование в штампе по режиму термодеформационного старения заготовки из сплава В95очТФ.

2. Механическая обработка (удаление припусков).

В качестве рабочей поверхности оснастки выбрана нижняя образующая поверхность сегмента шпангоута.

Тангенциальные напряжения послевчасов -229 ... 191 МПа

Тангенциальные напряжения после фрезерования-20 ... 13 МПа

Рис. 4. Результаты расчета в системе MSC.Marc процесса формообразования заготовки сегмента шпангоута

Проведенное исследование возможностей расчета нелинейного поведения материла в системе MSC.Marc позволило отработать метод разработки КЭ моделей, на которых были показаны возможности применения процессов формообразования в режиме термодеформационного старения для ряда каркасных деталей летательного аппарат. Численное моделирование процесса формообразования заготовок в штампе с учетом термодеформационного старения показало положительный результат, обеспечив требуемые геометрические характеристики заготовки, а также удовлетворительное для фрезерования напряженное состояние материала.

Четвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям по комплексной проверке адекватности применённых во 2й и Зй главах математических моделей, отражающих процесс термодеформационного старения.

В связи с освоением нового режима обработки материала ФГУП «ВИАМ» внесены дополнения №10 к паспорту № 1002 на сплав марки В95оч действие, которого распространены на сплав В95очТ2Ф, и дополнив

его новым режимом термодеформационного старения. Также ТУ 1-804497-2011 на изготовление тонких длинномерных авиационных плит распространено на сплав В95очТ2Ф. В рамках внедрения термодеформационного старения в производство верхних обшивок крыла 881-100 на установке РНУ-13 ФГУП «ВИАМ» утвердил технологические рекомендации ТР 1.2.2171-2011, согласно которых был разработан и внедрен директивный техпроцесс на изготовления верхних обшивок кессона ОЧК методом формообразования совмещенного со старением на установке РНУ-13 из сплава В95очТ2Ф. Принципы процесса формообразования в режиме термодеформационного старения защищены патентом № 2475322 «Способ формообразования деталей».

При отработке нового технологического процесса были проведены исследования физико-механические характеристики сплава В95очТ2Ф и влияние на них различных режимов обработки. Испытания на растяжение образцов, с целью получения механических характеристик материала, проводились на машине Ш8ТЯ(Ж 3382. Испытания на ползучесть проводились по заказу филиала ОАО «Авиационный холдинг «Сухой» ОАО «КнА-АЗ им. Ю.А. Гагарина» в ИГиЛ СО РАН г. Новосибирск (рис. 5), которые определили параметры степенного закона ползучести ё* = Во" (п=12.5, В=8.6-10"38 МПа"7с).

Рис. 5. Диаграммы упругопластических деформаций при различных температурно-скоростных режимах и зависимость скорости деформаций ползучести от напряжения при растяжении

Для контроля уровня старения материала выполняется измерением удельной электропроводимости, а при проведении прямых коррозионных испытаний - уровень коррозионных свойств. Уровень удельной электропроводимости и значения расслаивающей коррозии согласуются, поэтому для контроля достаточно использовать показания электропроводимости.

Дилатометрические испытания проводились на установке 01Ь402РС (рис. 6). Рассмотрены результаты работы по отработке процесса формообразования профильных заготовок в штампе в условиях термодеформационного старения.

---------------

—-,-,-,-,-,

1 10 19 20 21 22 23

Электропроводимость (МСм/м)

Рис. 6. Изменение длины заготовки в процессе старения сплава В95очТФ и влияние старения материала на его усадку

Дано описание испытаний образцов на чистый изгиб в условиях термодеформационного старения. Испытания на чистый изгиб проводились для проверки и уточнения деформационных характеристик материала при термодеформационном старении. При изгибе балок в них реализуется неоднородное напряженное состояние. Но существует метод, позволяющий с точностью, пригодной для инженерных расчетов, сопоставлять эксперименты на чистый изгиб с экспериментами при однородном напряженном состоянии. Приводится методика определения параметров функциональных зависимостей из обработки экспериментальных диаграмм на чистый изгиб прямоугольных балок для расчета процесса изгиба пластин с использованием соотношений, связывающих скорости изменения кривизн с моментами.

Для одинаково работающих на растяжение и сжатие материалов в условиях ползучести, подчиняющихся степенному закону деформирования, геометрия для различных размеров и форм сечения образцов при изгибе отделяется делением изгибающего момента М на обобщенный момент инерции сечения при ползучести: Ja = ]|г| сИ7

р

где п - показатель ползучести; г - координата по высоте сечения профиля, Р - площадь сечения образца.

Зависимость скорости изменения кривизны является универсальной

для различных форм сечений: ае = В(М и0)".

Для уточнения численных моделей проведен анализ деформационно-прочностных свойств сплава В95очТ2Ф при изгибе прямоугольных балок. Гибкая подвеска позволяет исключить осевые реакции и достичь достаточно больших прогибов изгибаемой балки с постоянным радиусом кривизны по всей ее длине (ж ~ 0,5-Ю"2мм"1) по сравнению с ножевыми конструкциями. На рисунке 7 представлены выше описанные эксперименты, рассчитанные по методу «характеристических параметров».

• - направление поперечное, о - продольное Рис. 7. Диаграммы ползучести изгиба прямоугольных балок кривизна-время ([эз,1/м]-[1,ч]) при температуре Т=165°С.

Измерение геометрии образцов проводилось оптическим способом, путем фотографирования и последующей обработки изображения. Для более точного определения кривизны образца по усредненным координатам контура использовали аппроксимацию геометрии дугами, которая реализована в программе ЯоИегГ'ГССеп. На программу получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2011610248 РФ. Математическая модель этой операции реализуется зависимостями, получаемыми на основе решения системы уравнений дуговой аппроксимации:

1=1 ¿=1 1=1 'Хс* (=1

ф2 X Ус = 2 V)

V. 1=1 2 ±У, Ы1 -п Я, К (-1 У

Д = -у/Лс2+Ус2-е

Решая систему уравнений, получаем искомые значения, где (х„у,) - координаты точки контура, (Хс, Ус) — центр окружности, Л - искомый радиус окружности.

Для проведения опытной отработки технологии формообразования в режиме термодеформационного старения было спроектировано и изготовлено устройство для формообразования в нагревательной установке РНУ-13 профильных заготовок в режиме ползучести. Контуры матрицы и пуансона рассчитаны для заданной температуры и времени деформирования с учетом последующего распружинивания детали после охлаждения и снятия нагрузки. Поджатие заготовки к матрице осуществляется гидроцилиндром путем контролируемого увеличения давления в гидравлической системе устройства. В результате натурного эксперимента геометрия формо-обазованной заготовки сегмента шпангоута совпала с теоретической.

Анализ внедрение технологии формообразования с применением режима термодеформационного старения в процесс изготовления сегментов шпангоутов самолета 881-100 позволит сократит затраты на 1 деталь за

счёт одновременного деформирования в автоклаве или установке РНУ-13 (с длиной рабочей зоны 14 метров). Экономический эффект будет достигнут за счёт значительного повышения коэффициента использования материала, и соответственно резкого снижения объема фрезерных работ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан и внедрен технологический процесс формообразования деталей в режиме термодеформационного старения.

2. В результате теоретического исследования разработана методика расчета технологических параметров процесса формообразования деталей в режимах ползучести совмещенных со старением материала.

3. Подробно исследован процесс термодеформационного старения для сплава В95очТ2Ф что позволило с высокой точностью производить численное моделирование процесса формообразования.

4. На основании результатов экспериментов по чистому изгибу балок из сплава В95очТ2Ф построены зависимости остаточной кривизны от приложенной нагрузки в условиях установившейся ползучести в режиме термодеформационного старения.

5. На основании проведённых исследований проведено внедрение и совершенствование процесса формообразования крыльевых панелей SSJ-100 из сплава В95очТ2Ф в филиале ОАО «Авиационный холдинг «Сухой» ОАО «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина».

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Кривенок, A.A. Контроль геометрии и доработка программ для ЧПУ в целях повышения точности изготовления длинномерных деталей из профилей / C.B. Белых, A.B. Станкевич, A.A. Кривенок, A.A. Перевалов // Авиационная промышленность. - 2009. - №2 - С. 47-50

2. Кривенок, A.A. Обработка результатов контроля на КИМ деталей летательных аппаратов с использованием аппроксимации контура дугами / C.B. Белых, A.A. Кривенок, A.A. Перевалов // Авиационная промышленность. - 2011. - №4 — С. 8-12

3. Кривенок, A.A. Формообразование профильных заготовок с помощью листового обтяжного пресса / Крупский Р.Ф., Кривенок A.A., Станкевич A.B., Феоктистов С.И., Белых C.B. // Ученые записки КнАГТУ. - 2013. - №2 - С. 9-15

4. Кривенок, A.A. Моделирование в системе MSC.Marc процесса формообразования деталей в режиме термодеформационного старения с учетом усадки материала / Кривенок A.A. //Ученые записки КнАГТУ. - 2013. - №3 - С. 4-10

Другие публикации:

5. Кривенок, A.A. Исследование процесса формообразования алюминиевых стрингеров несимметричного сечения из прессованных профилей самолета SSJ-100 / Белых C.B., Станкевич A.B., Кривенок A.A. // Прикладные задачи механики деформируемого твердого тела и прогрессивные технологии в машиностроении: сб. ст. - Вып. 3. - Ч. 2. - Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН, 2009. -С. 282-290

6. Кривенок, A.A. Аппроксимация геометрии контура дугами при контроле точности изготовления деталей летательных аппаратов / A.B. Станкевич, С.И. Феоктистов, C.B. Белых, A.A. Кривенок, A.A. Перевалов // Ученые записки КнАГТУ. - 2010.-№1-С. 11-19

7. Кривенок, A.A. Совершенствование технологического процесса обтяжки листовых деталей большой толщины / Станкевич A.B., Кремза И.В., Крупский Р.Ф., Кривенок A.A.// Будущее машиностроения России: Сборник трудов третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов, МТГУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2010, - С. 55

8. Кривенок, A.A. Автоматизация процесса подготовки производства и изготовления длинномерных деталей малой кривизны из прессованных профилей / Кривенок A.A. // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. Конф. молодых ученых и специалистов. (Москва, 22-25 сентября 2010 г.) / Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. - М.: МГТУ им. Баумана, 2010, - С. 56

9. Кривенок, A.A. Разработка технологических процессов в машиностроении с использованием современных систем инженерного анализа / Станкевич A.B., Кривенок A.A., Варламова O.A. // Международный симпозиум "Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы": материалы Всероссийской конференции "Школа по фундаментальным основам моделирования обработки материалов" и научно-технической конференции "Математическое, вычислительное и информационное обеспечение технологических процессов и систем" (г. Комсомольск-на-Амуре, 26-28 октября 2010 года): В 5 т. Т 4 / Ред-кол.: A.M. Шпилев (отв. ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО "КнАГТУ", 2010,-С. 60-63

10. Кривенок, A.A. Использование эффекта ползучести материала в технологии изготовления сегментов шпангоутов / Крупский Р.Ф., Кривенок A.A. // Итоги диссертационных исследований. Том1. - Материалы III Всероссийского конкурса молодых ученых. - М.: РАН, 2011, - С. 56-63

11. Кривенок, A.A. Перспективная технология изготовления деталей силового набора летательных аппаратов с использованием эффекта ползучести материала / Крупский Р.Ф., Кривенок A.A. // Перспективные технологии самолётостроения в России и мире. Труды Всероссийской научно-практической конференции молодых специалистов и учёных - Новосибирск: СибНИА, 2011, - С. 82-85

12. Кривенок, A.A. Перспективная технология изготовления деталей силового набора летательного аппарата с использованием режима термодеформационного старения / Крупский Р.Ф., Кривенок A.A. // Исследования и перспективные разработки в машиностроении: материалы второй научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Комсомольск-на-Амуре, 21 сентября 2012г.) / под.общ.ред. P.A. Физулакова, - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО "КнАГТУ", 2012, - С. 197-199

13. Кривенок, A.A. Изготовление криволинейных деталей летательных аппаратов с использованием термодеформационного старения / Крупский Р.Ф., Кривенок A.A. // Конкурс научно-технических работ и проектов "Молодежь и будущее авиации и космонавтики". Аннотации работ - М.: МАИ, 2012, - С. 35-37

14. Кривенок, A.A. Перспективная технология изготовления деталей силового набора летательного аппарата с использованием режима термодеформационного старения / Крупский Р.Ф., Кривенок A.A. // Исследования и перспективные разработки в машиностроении: материалы второй научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Комсомольск-на-Амуре, 21 сентября 2012г.) / под.общ.ред. P.A. Физулакова, - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО "КнАГТУ", 2012, - С. 197-199

15. Кривенок, A.A. Опыт использования обтяжного пресса для формообразования деталей летательного аппарата из профилей / Р.Ф. Крупский, A.B. Станкевич, A.A. Кривенок, С.В. Белых // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. статей III Всерос. науч.-практ. конф. (Иркутск, 11-12 апреля, 2013 г.) - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013, - С. 61-69

16. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2011610248 РФ. RollerNCGen / Кривенок A.A., Станкевич A.B., Белых С.В. - №2010617055, за-явл. 10.11.2010; зарег. 11.01.2011

17. Патент 2475322 РФ, МПК B21D 11/20. Способ формообразования деталей [Текст] / Пекарш А.И., Сарыков С.Э., Крупский Р.Ф., Физулаков P.A., Станкевич A.B., Олейников А.И., Бойко В.М., Кривенок A.A. - №2011122064; заявл. 31.05.2011; опубл. 20.02.2013, Бюл. №5

Подписано в печать 17.11.2013. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Ризограф FR3950EP-OC. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,35. Тираж 100. Заказ 25871.

Отпечатано в полиграфической лаборатории ФГБОУ ВПО КнАГТУ 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.



Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

04201454298 На пРавах Р*'кописи

КРИВЕНОК АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЖИМА ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В95

Специальность 05.07.02 -Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -к.т.н., доцент Крупский Р.Ф.

Комсомольск-на-Амуре - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Конструктивные особенности деталей силового набора летательных аппаратов...........................................................................................................12

1.2 Способы деформирования профильных заготовок............................22

1.3 Способы формообразования монолитных панелей............................29

1.4 Обработка материалов давлением в различных режимах деформирования...............................................................................................38

1.5 Анализ подходов к расчету процессов формообразования...............47

1.6 Влияние термообработки сплава В95 на его прочностные свойства и размерную нестабильность..............................................................................52

1.7 Постановка задачи исследования.........................................................60

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Определение температурно-временных параметров термодеформационного старения...................................................................62

2.2 Деформирование материала в режиме ползучести............................70

2.3 Геометрическая модель профиля..........................................................74

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ..................................85

3.1 Параметрический анализ электронных моделей криволинейных деталей ..............................................................................................................86

3.2 Разработка численной модели на основе конечно-элементной системы анализа М8С.Магс.............................................................................91

3.3 Моделирование процесса деформирования панели крыла................96

3.4 Моделирование процесса деформирование профильной заготовки

с последующим удалением припусков...........................................................99

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 4.1 Обработка экспериментальных данных, определение

упругопластических характеристик и характеристик ползучести............105

4.2. Упругопластические свойства на растяжение и сжатие с различными скоростями деформаций................................................................................107

4.3 Анализ ползучести алюминиевого сплава В95очТФ.......................109

4.4 Диаграммы ползучести изгиба балок под действием постоянных единичных моментов......................................................................................116

4.5 Анализ влияния старения алюминиевого сплава В95очТФ на его физико-механические и геометрические характеристики.........................124

4.6 Рекомендации по рациональному режиму деформирования заготовок для изготовления панелей крыла и панелей фюзеляжа ЛА.......................129

4.7 Анализ внедрения термодеформационного старения в процесс изготовления сегмента шпангоута................................................................131

ВЫВОДЫ........................................................................................................137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................................139

ПРИЛОЖЕНИЯ .............................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

С развитием авиационной техники возрастают требования к эффективности, экономичности и надежности самолетов, что связано с уменьшением материалоемкости конструкции при увеличении удельной прочности и жесткости деталей планера, применением высокопрочных и труднодеформируемых сплавов. Значительная доля деталей летательных аппаратов (ЛА) изготавливается из высокопрочных алюминиевых сплавов системы А1-гп-]У^-Си (В95пч/оч, В96ц-3пч, 1163Т и др.). Так массовая доля алюминиевых сплавов в планере 881-100 составляет более 80% из них более 40% сплав В95, который используется в таких деталях силового набора планера как шпангоуты, стрингера, нервюры, крыльевые панели и др.

Изготовление деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов накладывает на технологический процесс ряд ограничений по условиям термической обработки и предельным деформациям. Процесс изготовления крупногабаритных монолитных деталей, таких как вафельные (оребреные) панели и панели обшивок, со сложной теоретической поверхностью имеет низкую технологичность, связанную с особенностями традиционных технологий. При изготовлении деталей из стандартных полуфабрикатов фрезерованием приходится снимать большой объем материала, что значительно снижает технологичность детали. Это связано с низким коэффициентом использования материала (КИМ) и большим машинным временем обработки. При этом также снижаются прочностные характеристики детали из-за прорезания волокон материала. Использование в качестве заготовок поковок приводит к значительному короблению деталей при фрезеровании из-за высоких градиентов остаточных напряжений в материале заготовки. Применение штамповок в качестве заготовок для изготовления крупногабаритных деталей ограничивается с одной стороны возможностями прессового

оборудования, а с другой стороны, в условиях мелкосерийного авиационного производства, высокой стоимостью штамповой оснасткой.

Прогрессивным направлением изготовления сложных пространственных деталей является медленное деформирование заготовки в режиме ползучести за один переход, обеспечивающее высокую точность геометрии и сохранение ресурса материала деталей. Тенденции мирового авиастроения направлены на увеличение использования монолитных панелей сложной пространственной формы, что требует поиска технологических процессов их изготовления с обеспечением высокого качества.

Формообразование деталей из высокопрочного алюминиевого сплава В95 является сложным и критическим технологическим процессом. Пластическая деформация (прежде всего в искусственно состаренных состояниях) жестко регламентируется из-за отрицательного влияния на такие характеристики как прочность, пластичность, усталость и трещиностойкость. Ограничения, установленные ФГУП "ВИАМ" на температурные режимы пластического деформирования сплава В95 (не более 150 °С) значительно ограничивают возможности формообразования деталей из-за слабой деформируемости материала при этих температурах. Формообразование в режиме ползучести для сплава В95 целесообразно проводить при температурах 160...180°С. Однако, в этом температурном диапазоне активируются процессы искусственного старения сплава, что приводит к понижению прочностных свойств.

В связи с широким применение сплава В95 в деталях сложной геометрической формы, и ограничениями по температуре и степени деформирования требуется разработка технологии позволяющей преодолеть существующие противоречия. Разработка технологических процессов оптимального деформирования заготовок деталей из сплава В95 в условиях термодеформационного старения (т.е. процесс

деформирования, совмещенный с искусственным старением материала) имеет высокую актуальность для современного авиастроения.

Целью работы является разработка ресурсосберегающей технологии изготовления деталей летательного аппарата из высокопрочного алюминиевого сплава В95

Задачи исследования:

1. Определить параметры формообразования заготовок деталей из сплава В95очТ2Ф в режиме термодеформационного старения.

2. Определить физико-механические характеристики пластичности и ползучести сплава В95очТ2Ф в условиях заданного температурно-скоростного режима.

3. Разработать инженерную методику проектирования технологического процесса формообразования деталей в режиме термодеформационного старения и средств его оснащения.

4. Провести численное моделирование технологических процессов изготовления деталей сложной пространственной формы в условиях термодеформационного старения.

5. Провести экспериментальную проверку адекватности разработанной методики проектирования технологических процессов изготовления деталей в режиме термодеформационного старения.

6. Апробировать разработанный технологический процесс изготовления деталей силового набора JIA с применением термодеформационного старения и инженерную методику его проектирования в условиях производства, а также оценить его экономическую эффективность.

Объектом исследования является технологический процесс изготовления деталей JIA из сплава В95 в режиме ползучести.

Предметом исследований является повышение эффективности процесса формообразования деталей JLA из сплава В95 в режиме ползучести, совмещенном с процессом старения материала, по критериям:

снижения остаточных напряжений при формообразовании, сохранения прочностных характеристик детали и повышение качества.

Методы исследований

Теоретические методы исследований процессов деформирования базируются на классических положениях механики сплошной среды, теории упругости, теориях пластического и ползучего деформирования.

Численные экспериментальные исследования осуществлялись с использованием программного комплекса М8С.Магс. Натурные эксперименты проводились с использованием экспериментальных гибочных приспособлений и оснастки, стандартных средств измерений с применением стандартных методов обработки результатов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью применения математического аппарата и принятых допущений, применённых при разработке моделей, хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также успешной апробацией в условиях авиационного производства.

Автор выносит на защиту:

1. Разработанный технологический процесс формообразования деталей ЛА в режиме термодеформационного старения.

2. Инженерная методика проектирования технологических процессов термодеформационного старения при формообразовании деталей летательных аппаратов.

Научная новизна:

1. Установлена возможность применения термодеформационного старения в процессе формообразования деталей силового набора ЛА из высокопрочных алюминиевых сплавов.

2. Разработаны алгоритмы параметризации криволинейных деталей, реализованные в ряде программных модулей.

Практическая значимость и внедрение результатов:

1. Разработан технологический процесс изготовления деталей JTA из сплава В95очТ2Ф в режиме термодеформационного старения, с сохранением ресурсных характеристик материала детали.

2. Экспериментально установлено влияние усадки материала при термодеформационном старении сплава В95очТ2Ф на геометрические параметры детали.

3. Разработана инженерная методика определения технологических параметров формообразования деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов в режиме термодеформационного старения.

4. Разработаны программы параметризации геометрии криволинейных деталей по электронным моделям в CAD системе Siemens Software NX.

5. Результаты работы использованы при изготовлении крыльевых панелей пассажирского самолета SSJ-100 в филиале ОАО «Компания «Сухой» «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина».

Реализация результатов работы

Разработанная технология изготовления криволинейных деталей силового набора JIA из высокопрочных алюминиевых сплавов в режиме термодеформационного старения внедрена в производство на Комсомольском-на-Амуре авиационном заводе им. Ю.А. Гагарина -филиале ОАО «Компания «Сухой» «КнААЗ им. Ю.А. Гагарина» и применяется при изготовлении верхних крыльевых обшивок самолета SSJ-100.

Также результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология самолетостроения» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» при проведении лекционных и лабораторно-практических занятий по дисциплинам «Технологии изготовления деталей самолета» и «Проектирование процессов и оснастки заготовительно-штамповочного производства» для студентов всех форм обучения.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: «Будущее машиностроения России», Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов, МГТУ им. Баумана - Москва, 201 Ог; «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы», Международный симпозиум, ГОУВПО «КнАГТУ» - Комсомольск-на-Амуре, 2010г.; «III Всероссийский конкурс молодых ученых», Всероссийский конкурс молодых ученых, РАН - Москва, 2011г.; «Перспективные технологии самолетостроения в России и мире», Всероссийская научно-практическая конференция молодых специалистов и ученых, СибНИА - Новосибирск, 2011г.; «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья -основа инновационного развития экономики России», международная молодежная конференция, ВИАМ - Москва, 2012г.; «Исследования и перспективные разработки в машиностроении», Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов, ОАО «КнААПО» - Комсомольск-на-Амуре, 2012г.; «Молодежь и будущее авиации и космонавтики», Всероссийский конкурс научно-технических работ и проектов, МАИ - Москва, 2012г.; Краевой конкурс молодых ученых и аспирантов, ТОГУ - Хабаровск, 2013г.; «Авиамашиностроение и транспорт Сибири», III Всероссийская научно-практическая конференция, ИрГТУ - Иркутск, 2013г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. В журналах рекомендуемого ВАК РФ перечня опубликовано 4 статьи. Также получено свидетельство на программу ЭВМ и 1 патент.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов по работе (заключения) и библиографического списка из 84 наименований. Материалы работы

изложены на 156 страницах машинописного текста, включает 55 рисунка, 4 таблицы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведена оценка области применения панелей и криволинейных деталей в силовом наборе конструкции планера ЛА. Рассмотрены конструктивные особенностей таких деталей силового набора как сегменты шпангоутов, пояс бортовой нервюры и крыльевые панели. Проведен анализ основных технологических процессов изготовления криволинейных деталей силового набора из высокопрочных алюминиевых сплавов, который показал, что одним из наиболее эффективных процессов является обработка материала давлением.

Проведен обзор научных работ по теме исследования. Рассмотрены работы ученых по исследованию влияния процессов деформирования на ресурс материала. Описаны особенности обработки алюминиевых сплавов давлением при температуре и влияние температуры на их старение.

Определены задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются процессы горячего деформирования материала, формализуется режим термодеформационного старения. Для сохранения ресурса материала предложен процесс термодеформационного старения, который характеризуется процессом деформирования совмещенного с искусственным старением. При этом происходит не обычное статическое, а деформационное старение. Приведена методика расчета процесса деформирования материала в режимах ползучести с учетом упругого восстановления.

В третьей главе раскрыты методы и алгоритмы, обеспечивающие анализ геометрии деталей, определение технологических параметров изготовления деталей и разработка КЭ моделей и установка параметров расчета в программном пакете М8С.Магс.

Проведенное исследование возможностей расчета нелинейного поведения материла в системе MSC.Marc позволило отработать метод разработки КЭ моделей, на которых были показаны возможности применения процессов формообразования в режиме термодеформационного старения для ряда каркасных деталей летательного аппарат.

Четвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям по комплексной проверке адекватности применённых во 2й и Зй главах математических моделей, отражающих процесс термодеформационного старения. Приведены результаты исследования физико-механических характеристик сплава В95очТ2Ф. Приведен анализ внедрения технологии формообразования с применением режима термодеформационного старения в процесс изготовления сегментов шпангоутов самолета SSJ-100.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. Конструктивные особенности деталей силового набора летательных аппаратов

Каркас планера современного летательного аппарата состоит из многочисленных и разнообразных по свойствам и назначению деталей. Конструкция летательных аппаратов (ЛА) является сложной системой, состоящей из ряда стандартных элементов (стержни, гладкие и подкреплённые пластины и оболочки, массивн