автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методика поддержания летной годности вертолетов МИ-26Т по условиям прочности конструкции

На правах рукописи

Осипов Дмитрий Николаевич

МЕТОДИКА ПОД ДЕРЖАНИЯ ЛЕТНОИ ГОДНОСТИ ВЕРТОЛЕТОВ МИ-26Т ПО УСЛОВИЯМ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.22.14 — Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НО ¿и 15

005557468

Москва - 2014

005557468

Работа выполнена в Научном центре поддержания летной годности воздушных судов Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации

Научный Доктор технических наук, профессор

руководитель Шапкин Василий Сергеевич;

Официальные Профессор кафедры авиастроения Донского оппоненты государственного университета (г. Ростов-на-Дону),

доктор технических наук Дудник Виталий Владимирович;

Начальник отдела мониторинга летной годности воздушных судов ООО «Западно-Сибирский центр по сертификации объектов воздушного транспорта» (г. Новосибирск), доктор технических наук Лапаев Артем Валерьевич.

организация учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет гражданской авиации» (г. Москва)

Защита состоится 12 февраля 2015 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 315.002.01 на базе Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации по адресу: 125438, г. Москва, ул. Михалковская, д. 67, строение 1.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ГосНИИ ГА и на официальном сайте ФГУП ГосНИИ ГА

http :/di SSO vet. gosni i ga.ru.

Автореферат разослан « »_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ведущая Федеральное государственное бюджетное образовательное

Д 315.002.01, к.т.н.

А.И. Плешаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность таны обусловлена отсутствием до настоящего времени эффективных методик прогнозирования характеристик выносливости элементов конструкции планера вертолетов Ми-26Т, эксплуатируемых в Гражданской Авиации за пределами ресурсов и сроков службы, установленных при изготовлении.

В настоящее время парк вертолетов Ми-26Т, эксплуатируемых в ГА на 90% состоит из вертолетов, отработавших ресурсы и сроки службы (назначенный, до 1-го ремонта и межремонтный), установленные при их изготовлении (600-1200 часов и 6 - 8 лет). В процессе эксплуатации вертолетов Ми-26Т за пределами указанных ресурсов возникла проблема обеспечения безопасности и эффективности поддержания летной годности в связи с обнаружением многочисленных трещин стрингеров, изготовленных из алюминиево-литиевого сплава 01420, а в отдельных случаях и обшивок, изготовленных из данного материала.

В связи с отсутствием в период 1993 - 2003 г.г. стендовых и летных испытаний фюзеляжа вертолета, а также с появлением за последнее время теоретических методик прогнозирования характеристик выносливости авиационных конструкций, применение данных методик для конструкции планера вертолета Ми-26Т имеет большое практическое значение.

Возросшая потребность продолжения эксплуатации вертолетов Ми-26Т за последние 10 лет, с одной стороны, и появление возможности проведения дорогостоящих стендовых и летных испытаний, с другой, требует уточнения программ данных испытаний с учетом накопленного за это время опыта эксплуатации парка вертолетов, систематизации и классификации обнаруженных дефектов.

В условиях возникшей в последнее время тенденции перевода авиационной техники на эксплуатацию по состоянию без капитальных ремонтов важнейшую роль приобретают вопросы контроля ресурсного состояния силовых элементов фюзеляжа экземпляров вертолета и парка в целом. Основой такого контроля является периодическое уточнение

характеристик живучести силовых элементов, проводимое на основе обобщения и систематизации опыта эксплуатации, разработки и применения методов оценки усталостной долговечности, летных и стендовых испытаний фюзеляжей и отдельных элементов конструкции.

Вопросам методологии обеспечения безопасной эксплуатации стареющих воздушных судов посвящены работы М.С. Громова, Г.И. Нестеренко, ВЛ. Райхера, А.Ф. Селихова, H.H. Сиротина, Ю.М. Фейгенбаума, А.И. Фролкова, B.C. Шапкина и др.

В разные годы большой вклад в организацию летных и стендовых испытаний вертолетов и отдельных элементов конструкции, а также в исследования усталостных разрушений, внесли сотрудники ФГУП «ЦАГИ», ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля», ФГУП ГосНИИ ГА В.А. Антонюк, Л.Н. Екименков, В.И. Лопаткин, A.B. Некрасов, Р.В. Сакач, А.Ф. Селихов, A.A. Шанявский, З.Е. Шнуров и другие.

Данная диссертационная работа базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях, проведенных под руководством научного руководителя и лично автором, а также на исследованиях технического состояния вертолетов Ми-26Т, проведенных группой поддержания летной годности тяжелых вертолетов отдела ТО и Р вертолетов ГосНИИ ГА в 1998 — 2012 г.г.

Актуальным моментом данной работы является возможность на основе полученных данных уточнения Регламента ТО вертолета Ми-26 для ГА и бюллетеней промышленности.

Цель работы - разработка комплекса мер по поддержанию летной годности парка вертолетов Ми-2бТ в ГА РФ по условиям прочности стрингерного набора и, таким образом, повышения качества эксплуатации и уровня безопасности полетов.

В рамках цели работы поставлены и решаются следующие задачи:

1. Обобщить и систематизировать усталостные трещины планера вертолета Ми-26Т, обнаруженные в процессе эксплуатации и при оценке технического состояния:

- классифицировать повреждения по различным критериям (месту локализации, зависимости от наработки и срока службы вертолета, ремонтопригодности и т.д.);

- выявить повреждения, влияющие на безопасность полетов;

- классифицировать зоны фюзеляжа вертолета по повреждаемости стрингеров и установить критические по этой повреждаемости зоны;

- классифицировать парк вертолетов по критерию повреждаемости стрингеров.

2. Выявить закономерности распределения и накопления количества трещин стрингеров по фюзеляжу:

- установить зависимости роста количества трещин стрингеров от наработки для планера в целом и для отдельных зон;

- вычислить коэффициенты корреляции процессов возникновения трещин в различных зонах и рассчитать вероятности возникновения трещин в коррелированных зонах;

- разработать методику оценки соответствия технического состояния стрингерного набора экземпляра планера, вводящегося в строй после длительного хранения, состоянию парка;

- разработать методику оценки эквивалентности воспроизведения нагрузок при стендовых испытаниях;

разработать методику определения периодичности осмотров стрингерного набора;

- определить критическую длину трещины стрингера.

3. Изучить кинетику трещин стрингеров:

измерить скорости роста трещин стрингеров на реально эксплуатирующихся вертолетах;

- провести стендовые испытания элементов «обшивка — стрингер»;

- провести фрактографические исследования испытанных образцов и сравнить с результатами аналогичных исследований трещин в эксплуатации;

- рассчитать живучесть стрингера с трещиной;

На защиту выносятся:

результаты проведенного статистического анализа процессов возникновения трещин стрингеров из материала 01420;

- классификация парка вертолетов Ми-26Т по повреждаемости стрингеров;

- методика сравнения технического состояния стрингерного набора экземпляра вертолета, вводящегося в строй после длительного хранения, с техническим состоянием парка;

- методика оценки эквивалентности воспроизведения эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях фюзеляжей вертолета Ми-26Т;

- методика определения периодичности осмотров стрингерного набора экземпляра вертолета Ми-26Т;

- методика воспроизведения эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях элементов конструкции вертолетов;

- методика расчета живучести стрингера с трещиной.

Методологической основой исследования являлись нормативные

документы и существующие методики и модели оценки ресурсов элементов авиационных конструкций.

В работе применялись методы математической статистики, методы проведения физического эксперимента, методы проведения стендовых испытаний авиационных конструкций, инструментальные методы исследования авиационных материалов и фрактографии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен метод оценки технического состояния стрингерного набора вертолета, основанный на периодическом сравнении распределения количества трещин стрингеров экземпляра со средним распределением по парку;

предложен метод оценки эквивалентности воспроизведения эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях, основанный также на периодическом сравнении распределения количества трещин на стендовом образце с распределением количества трещин на парке при соответствующей наработке;

- применен новый подход к описанию процессов возникновения усталостных трещин в силовых элементах, основанный на представлении процесса возникновения трещин в качестве пуассоновского потока событий;

- применен новый метод учета особенностей нагрежения вертолетов при стендовых испытаниях элементов конструкции. Метод основан на учете многократного достижения максимальных напряжений в типовом полете;

- предложенная новая экспериментальная модель роста трещины позволяет учитывать особенности распространения трещины по профилю стрингера и хорошо согласуется с данными из эксплуатации и стендовых испытаний образцов.

Достоверность результатов исследования в части, касающейся анализа повреждаемости стрингеров парка вертолетов и распределения количества трещин стрингеров из материала 01420, подтверждается статистически достоверной выборкой объектов исследования, отсутствием данных, противоречащих выдвинутым положениям. В части, касающейся исследования кинетики трещин стрингеров из материала 01420, достоверность экспериментальных данных подтверждается опытом эксплуатации. Возможность применения предложенной методики оценки эквивалентности воспроизведения эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях следует непосредственно из сравнения распределения количества трещин стрингеров, возникших на стенде с распределением количества трещин, обнаруженных в эксплуатации. Данные результаты планируется применять при последующих испытаниях фюзеляжей вертолетов Ми-26. Адекватность воспроизведения эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях элементов «обшивка-стрингер» подтверждается результатами фрактографических исследований.

Практическая ценность работы заключается в обосновании возможности продолжения безопасной эксплуатации парка вертолетов Ми-26Т, изготовленных с применением материала 01420.

Разработаны методики корректировки Регламента ТО в части, касающейся интервалов осмотра стрингерного набора, Бюллетеня

№ 90.0605-БД-Г. Результаты работы используются для определения зон фюзеляжа, требующих усиления. Выявленные зоны с пониженным сопротивлением усталости позволяют обнаруживать трещины элементов конструкции на более ранних безопасных стадиях. Выявленные автором закономерности распределения количества трещин стрингеров позволяют оптимизировать методики осмотра фюзеляжа.

В работе показана необходимость и возможность внедрения дифференцированного подхода к эксплуатации вертолетов в зависимости от повреждаемости стрингеров.

Разработанная автором методика оценки эквивалентности воспроизведения эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях, позволяет повысить их достоверность и качество.

Полученные автором результаты в части, касающейся распределения количества трещин стрингеров по фюзеляжу, могут быть использованы при разработке новых типов вертолетов схожей конструкции.

Разработанная автором экспериментальная модель развития трещины в стрингере позволяет рассчитывать период живучести стрингера от момента обнаружения трещины.

Личный вклад автора. Классификация парка вертолетов Ми-26Т по повреждаемости стрингеров разработана автором в составе группы ТО и Р тяжелых вертолетов совместно с ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля». Непосредственно автором разработана и внедрена карта распределения количества трещин стрингеров для экземпляра вертолета.

Автором предложен метод оценки технического состояния фюзеляжа вертолета Ми-26Т, основанный на периодическом сравнении распределения количества трещин на экземпляре с распределением количества трещин на парке. Показана применимость данного метода для оценки эквивалентности воспроизведения эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях фюзеляжа вертолета. Разработаны и внедрены соответствующие методики.

Непосредственно автором предложено рассмотреть процесс возникновения трещин стрингеров как пуассоновский поток событий и разработана методика определения интервалов осмотра стрингерного набора.

На основании обработанных статистических материалов по нарастанию количества трещин в отсеке непосредственно автором рассчитаны интервалы осмотров конструкции, обеспечивающие реализацию принципов допустимого повреждения и безопасного разрушения.

Автором разработана методика и проведены испытания элементов «обшивка-стрингер». Совместно с ГЦБП ВТ автором проведены фрактографические исследования образцов, разрушенных на стенде.

При непосредственном участии автора проведены измерения длительности роста трещин стрингеров в эксплуатации, а также получен и обработан необходимый статистический материал по длинам обнаруживаемых трещин.

Автором предложена экспериментальная модель кинетики трещины в стрингере из материала 01420 и на ее основе разработана методика расчета живучести стрингера.

Реализация результатов. Результаты работы являются составной частью комплекса работ по поддержанию леггной годности парка вертолетов Ми-26Т в ГА РФ и поэтапного увеличения ресурса. Данные результаты использовались при установлении парку вертолетов ресурса 4200, 4800 и 6000 часов, а также при обосновании возможности продолжения дальнейшей эксплуатации экземпляров вертолетов.

Методика оценки технического состояния стрингерного набора вертолета, вводящегося в строй после длительного хранения, применялась в ОАО «Авиакомпания «ЮТэйр», ОАО «2-й Архангельский ОАО» и ЗАО «Абакан-Авиа».

Методика оценки эквивалентности воспроизведения эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях фюзеляжа в настоящее время применяется в «Aviatest Lnk».

Результаты работы используются при выполнении Бюллетеня № 90.0605-БД-Г ОАО РВПК «Роствертол» и ОАО «Авиакомпания «ЮТэйр», а также во всех компаниях, эксплуатирующих вертолеты Ми-26Т, при изготовлении которых применялся материал 01420.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Чаплыгинских чтениях в СибНИА, 2009 год, г. Новосибирск, на II Международной молодежной научной конференции «Гражданская авиация XXI век» 2010 год, г. Ульяновск , 19-й Европейской конференции по фрактографии, 2012 год, г. Казань, а также на научно-технических семинарах и совещаниях ФГУП ГосНИИ ГА и ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля».

Публикации. Научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Дальнейшее развитие работы связано с продолжением накопления, обобщения и статистической обработки материалов по трещинам стрингеров вертолета Ми-26Т по мере увеличения наработки отдельных экземпляров и парка в целом. Планируется проведение стендовых испытаний элементов «обшивка — стрингер» для вертолетов 2-й группы, на которых также применялся материал 01420, но при этом имеющих существенно более низкую повреждаемость стрингеров.

Структура и объем диссертационной работы: работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 84 наименований и приложений. Работа содержит 29 таблиц, 60 рисунков. Общий объем работы — 148 листов сквозной нумерации основного текста и 49 листов приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи, которые необходимо решить, показана научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлены:

- основы методологии поддержания летной годности стареющего парка воздушных судов;

- основные сведения о вертолете Ми-26Т (парк вертолетов в ГА, его ресурсное состояние, особенности конструкции);

- сведения о материале 01420 и его применении в авиастроении;

- обоснована правомерность постановки основных задач математической статистики применительно к анализу процесса возникновения, накопления и развития трещин стрингеров, изготовленных из материала 01420, кратко описаны методы решения данных задач;

- краткий обзор методов исследования кинетики трещин стрингеров;

- обзор методов воспроизведения эксплуатационных нагрузок;

- обзор существующих моделей роста усталостных трещин.

Во второй главе приведен общий перечень и анализ усталостных трещин конструкции планера, обнаруженных в процессе эксплуатации, при выполнении осмотров вертолетов с целью индивидуального увеличения ресурсов и сроков службы, а также в процессе ремонта. Показано, что наиболее массовым дефектом являются трещины стрингеров из материала 01420. При этом установлено, что количество возникающих трещин не зависит от наработки, срока службы и условий эксплуатации экземпляра. Анализ повреждаемости стрингеров X (количество обнаруженных трещин, отнесенное к наработки вертолета) позволил классифицировать парк вертолетов на 3 группы:

1. Повреждаемость 0,02<Х<0,2 - вертолеты выпуска до 1990 года;

2. Повреждаемость Х<0,02 - вертолеты 1990-1992 года выпуска;

3. Повреждаемость Х«0,02- вертолеты выпуска после 1992 года (материал 01420 не применяется).

На рис. 1 представлена повреждаемость стрингеров для вертолетов трех групп.

Вертолеты 1-й группы составляют около 35% эксплуатируемого парка и имеют наибольший запас невыработанного ресурса.

На примере вертолета RA-06180 приведен фрагмент введенной карты трещин стрингеров.

Рис. 1. Повреждаемость стрингеров стрингеров вертолета Ми-26Т (красный - группа 1, синий - группа 2, зеленый - группа 3)

Произведена классификация трещин стрингеров: по длине;

по месту расположения; по направлению.

Также во второй главе представлены некоторые особенности распределения трещин по фюзеляжу. Показано, что наибольшее количество трещин стрингеров (около 30%) наблюдается в зоне от шп. 36 центральной части фюзеляжа (ЦЧФ) до стыка с хвостовой балкой (ХБ) и в хвостовой балке по правому борту.

Приведены случаи лавинообразного нарастания количества трещин в случае несвоевременного их устранения.

В заключительной части второй главы приведены результаты лабораторных исследований изломов стрингеров, позволяющие сделать вывод о сильной нестабильности свойств материала.

В третьей главе приведены результаты статистического анализа процесса возникновения и накопления трещин стрингеров, проведенного на основании обработки данных о более чем 350 исследований технического состояния 29 вертолетов, изготовленных в 1984-1990 годах. Построены гистограммы распределений трещин по всему фюзеляжу, как для отдельных вертолетов, так и для всего парка в целом для различных диапазонов наработок. Введено понятие плотности трещин (количество трещин в отсеке между двумя

соседними шпангоутами, отнесенное к количеству стрингеров в этом отсеке). Распределение плотности трещин по всему фюзеляжу приведено на рис. 2.

8,00

* 6,00

2 4,00

о.

6 2,00

О

ж 0,00

о

с -2,00

-4,00

Приведены гистограммы распределения количества трещин в отдельных отсеках по всем стрингерам и в отдельных стрингерах на протяжении нескольких подряд расположенных отсеков. В качестве примера на рис. 3 приведены гистограммы распределения количества трещин (в абсолютных величинах) между шп. 1-2 ХБ (рис. За) и в стрингере 7 по правому борту на протяжении килевой балки (КБ) (рис. 36).

Г»| »1Г> 001 ни' г-тН рч го <31 т-1 ГЧ 1Л 00 г-» ^ Г4» < > ГЧ (Ч ГО ГО ГО « 1;; 1{,1 1Л IЛ.-.1«111«1». 1 1ГЧ *Г Г*- О ГО > V го ^ Т1

Центральна^ часть фюзеляжа Л . .. _ № отсека воетовая ^ килевая ** балка балка

Рис. 2. Распределение плотности трещин (синий цвет - правый борт, красный цвет - левый борт)

№ отсека

а) б)

Рис. 3. а) распределение трещин в стрингерах между шп. 1-2 ХБ,

б) распределение трещин в стрингере 7 по правому борту в КБ Рассчитаны числовые характеристики распределений - математическое ожидание, дисперсия, среднее квадратическое отклонение, третий центральный момент и коэффициент асимметрии. Показаны наиболее вероятные места появления трещин в различных зонах фюзеляжа. Для концевой части ЦЧФ и ХБ - это зоны, включающие по 5-8 стрингеров вправо и влево от стрингеров

№ 2-6 по правому борту, для КБ — зоны по 2-3 стрингера вправо и влево от стрингеров № 6-7 по правому борту.

Приведены гистограммы распределения количества трещин по интервалам наработки как для всего планера, так и для отдельных зон (рис. 4 а, б) (количество трещин нормируется на количество проведенных осмотров при данной наработке).

Интервал наработки

а) б)

Рис. 4. а) Распределение количества трещин по наработкам для всего планера, б) распределение количества трещин по наработкам для хвостовой балки Для распределений по наработкам также рассчитаны числовые

характеристики случайных величин.

Произведена оценка применимости известных критериев проверки

правдоподобия статистических гипотез - Пирсона и Колмогорова для проверки

соответствия распределений количества трещин по зонам и по наработкам

известным распределениям. Показано, что для многих распределений гипотезы

о соответствии нормальному распределению являются правдоподобными.

Примеры таких распределений для зоны между шп. 1 -2 ХБ и для левого борта

хвостовой балки по наработкам приведены на рис. 5. Красным цветом показаны

теоритические нормальные распределения с заданными математическим

ожиданием и среднеквадратическим отклонением.

Л/Огтп'б-^З 12-9 8-5 4-1 1-4 5-8 9-12

а) б)

Рис. 5. а) Распределение трещин между шп. 1-2 ХБ, б) распределение трещин по наработкам по левому борту ХБ

Предложен метод оценки соответствия технического состояния вертолета в части, касающейся трещин стрингеров, среднему состоянию парка. Метод основан на применении критерия Колмогорова для оценки правдоподобия статистических гипотез. В качестве теоретического используются распределения количества трещин, обнаруженных на фюзеляже при различных наработках парка (аналогичные приведенной на рис.2). При введении в строй вертолета из других реестров или при восстановлении летной годности после длительного хранения устанавливается распределение трещин по фюзеляжу и сравнивается с теоретическим при указанной наработке с помощью критерия Колмогорова.

Показана применимость указанного метода и для оценки эквивалентности воспроизведения эксплуатационного нагружения при стендовых испытаниях.

В третьей главе процессы возникновения трещин в различных зонах при различных наработках представлены в качестве системы нескольких случайных величин и оценена степень их зависимости. Для этого были вычислены коэффициенты попарной корреляции (Таблица 1).

Таблица 1.

Корреляционная матрица процессов возникновения трещин в различных зонах.

1-13п 17-24п 24-Збп 36-41П 1-12п 1-14п 1-13/1 17-24Л 24-Збл 36-41Л 1-12 л

1-13л 0.13 0,35 -0,01 0,39 -0,14 0,37 0.4 9 0.83 0,29 0,59

1 О.бО о, за 0,55 -0,19 О, 0.57 одз -О,Об 0,48

24-36п 1 0,70 0,51 -0,20 0,26 О.БЗ 0,08 -0,02 0,31

36-41п 1 Р.67 -0,12 0.41 -0,02 -0,12 -0,16 0,28

1-14л 1 О.ОО -0.37 -0/07 -О.ОЗ -0,16

1-13л 1 0,11 0,34 0,02 Р.77 0,34

17-24/1 1 0,41 ОД1

36-41л 1 0,02

1-12/1 1

Зеленым цветом выделены коэффициенты корреляции, превышающие 0,5. Таким образом, можно сделать вывод об относительной идентичности процессов возникновения трещин в этих зонах. Для зон с высокой корреляцией рассчитаны вероятности обнаружения одной или более трещин в одной зоне в зависимости от количества трещин в парной зоне.

На основании проведенного анализа длин обнаруживаемых трещин определена критическая длина трещины - 27 мм для стрингера 20мм х 15 мм. Рассчитана предельная длина трещины стрингера указанного профиля — 22 мм.

По результатам анализа случаев нарастания количества трещин в отсеке рассчитаны интервалы осмотров, обеспечивающие реализацию принципов допустимого повреждения и безопасного разрушения стрингеров для различных зон фюзеляжа (рис. 6). Допустимое количество трещин в зонах соответствует установленному разработчиком при расчете потери несущей способности сечением фюзеляжа.

Рис. 6. Нарастание количества трещин в отсеке при наличии одной трещины Процесс возникновения трещин стрингеров рассмотрен как пуассоновский поток событий. В качестве плотности потока используется повреждаемость X. По формуле распределения Пуассона

р (О

т\ е

рассчитывается вероятность появления на фюзеляже (или в определенной зоне) ровно одной трещины

Р,(0 = Хге~'х

Также могут быть рассчитаны вероятности появления двух и более трещин для зон, в которых такое количества допустимо. На основании максимальной вероятности может быть вычислен необходимый интервал осмотра для обнаружения указанного количества трещин. На рис. 7 приведены соответствующие зависимости вероятностей от интервала наработки для вертолетов с наибольшей и наименьшей повреждаемостью.

а) б)

Рис. 7. Зависимость вероятности появления одной трещины от наработки,

а) 44-06(178, б) Я4-06294 В четвертой главе представлены результаты измерения скорости роста трещин на эксплуатирующихся вертолетах. Исследуемые трещины находились в концевой части ЦЧФ и хвостовой балке. Установлено, что развитие трещин по свободной полке является стабильным, время ее прохождения составляет 100 -200 часов. В качестве примера на рис. 8 приведен график развития трещины по свободной полке стрингера 12 между шп. № 36-37 ЦЧФ по правому борту.

1350 1400 14М 1500 1550

Шрлоогел мртмяя О! 1 |'ЫС1

Рис. 8. Развитие трещины в стрингере по свободной полке Во всех исследуемых стрингерах наблюдался постепенный рост скорости развития трещин, что является ожидаемым результатом.

Также в четвертой главе представлены результаты стендовых испытаний элементов «обшивка-стрингер», проведенных по методике, разработанной автором. Данная методика основана на применении методики испытаний по циклу ЗВЗ для вертолетных конструкций. Основное отличие этой методики от общепринятой для самолетов заключается в том, что максимальные и минимальные значения напряжений достигаются не один раз за полет, а с частотой вращения несущего винта (2,2 Гц) при наиболее и наименее нагруженных режимах. Показано, что такими режимами для вертолета Ми-26Т

являются режим правого виража (максимальные напряжения 10,75 кг/мм2 в стрингере 8 между шп. 8-9 ХБ по правому борту) и режим комбинированного разворота на висении (минимальные напряжения 0,17 кг/мм2 в стрингере 8 между шп. 38-39 ЦЧФ по правому борту). На основе обработки данных о повторяемости режимов полета вычисляется средняя продолжительность максимально нагруженного режима (83с за час типового полета) и число достижений максимумов напряжений за указанное время - 183. Таким образом, 183 цикла нагружения, воспроизводимого на стенде, соответствует одному часу эксплуатации. Такое воспроизведение эксплуатационного нагружения имеет более чем троекратный запас по повреждаемости (23,7x105 и 7,4х10"5 соответственно).

Образцы для испытаний представляли собой фрагменты обшивки со стрингером, имеющим клеесварное соединение, выделенные из фюзеляжа вертолета. По обоим концам образцов выполнялись захваты в виде стальных накладок с выборками под стрингер. Для имитации возникшей трещины, на стрингере выполнялся надрез. Наблюдения за ростом трещины начинались после ее страгивания от надреза. Испытательный стенд - МТБ.

Испытания проводились до полного разрушения образца. Полученные кривые роста трещины, пересчитанные в часы, для 6 образцов, приведены на рис. 9.

зь

~S ЗО

г

2 25 X

X

3 20 а»

Cira 15

з:

5»

♦ ■

X

X * Лч 9

X ♦ > ж ш

50 ЮО 150 200 250 300 350 400 450

Наработка (час)

♦ Образец 1 ■ Образец 2 ▲ Образец 5

Образец б ( Образец 7

• Образец 8

Рис. 9. Семейство кривых роста трещин

В процессе испытаний были выявлены следующие особенности развития трещин:

- большой разброс живучести образцов (количество циклов до разрушения отличается в 4-5 раз);

- период стабильного роста трещины в пересчете в часы составляет 100400 часов;

- выход трещины на обшивку через сварную точку;

- возможное развитие трещины непосредственно от сварной точки.

Приведены результаты фрактографических исследований испытанных

образцов. Исследования также подтвердили сильную неоднородность материала, обусловливающую его поведение. Было установлено, что наибольшую живучесть имели образцы с наименьшим расслоением по волокну. На всех образцах наблюдается чередование зон с различным механизмом разрушения - межзеренным и внутризеренным. На образце, разрушившимся по сварной точке не под надрезом был выявлен дефект сварки (рис. 10).

Установлено, что виды изломов качественно совпадают с видами изломов стрингеров выделенных из эксплуатировавшихся вертолетов.

в) г)

Рис. 10 а) Расслоение материала стрингера, б) зоны чередования различных механизмов

разрушения на стрингере, в) вид образца с разрушением от сварной точки, г) поры в

районе сварной точки

В пятой главе произведен расчет кинетики трещины с использованием уравнения Пэриса

% = с(АЮт,

где АК - размах коэффициента интенсивности напряжений, С и т -параметры трещиностойкости материала.

Показано, что значения С и да, полученные экспериментально, значительно отличаются от справочных данных (для С более чем на порядок) и различные методы осреднения величин неприемлемы для материала, из которого изготовлен стрингер. На основании полученных экспериментальных значений для С, т и АК для наихудшего образца решено уравнения Пэриса для нахождения времени роста трещины до прохождения свободной полки. Это время составляет около 50 часов эксплуатации вертолета (с учетом коэффициента надежности - 25 часов). Это время можно считать качественной оценкой «снизу» живучести стрингера с трещиной. На рис. 11 представлены кривые развития трещин - рассчитанная по Пэрису, в эксплуатации (приведена граница 95% доверительного интервала) и рассчитанная по Пэрису с использованием справочных данных для Сит.

о

о 50 100 150 200

Наработка вертолета (час)

т=1.66. С=1,52x10'*

П.рт. - сщм|книнн

т-1,391. С=1,41х10"*

■Верхняя граница 90"К аоверитльжзю мн.ероалл «есдмстюй гисплуатаииошиэи ноивой

Рис. И Сравнительные кривые развития трещин В заключительной части главы предложена экспериментальная модель развития трещины в стрингере, обобщающая результаты, полученные в эксплуатации и при стендовых испытаниях. Предлагается аппроксимировать кривую роста длины трещины двумя функциями вида:

КО = Сек^,приг< гсв

и

l(t) = lceek2^~tc'\при t > t„ где lce - ширина прилегающей полки, tce - время прохождения трещиной свободной полки, tnpiíl - прилегающей. В качестве кривой, моделирующей прохождение трещиной свободной полки, используется наихудший участок стабильного роста трещины из испытанных образцов, а для моделирования прохождения прилегающей полки - наихудший участок ускоренного роста трещины из стендовых испытаний (при этом образцы разные) (рис.12).

2 АО .ЯЕ. JO 30 ЭБ ЭБ /,..,= 2 О е* ю «5:

/ = 20е°'057в(<"109) /

/

/=4,582еи01"г _____/

--- ^ f„=109

so 1ОО XSO Наработка Т (час)

Рис. 12. Кинетика трещины, рассчитанная по экспериментальной модели. Таким образом, дня расчета остаточной долговечности стрингера при обнаружении трещины предлагается использовать полученную формулу:

Т =Т-Т _ '"('">"'"(4,582) '"('с+'прш.)-'св 1Ш-1п (4,582) ост 1 0,0133 0,0578 0,0133 '

где Т - живучесть стрингера с трещиной, 71 - время, за которое трещина выросла до обнаруженного размера. Сравнительные графики роста трещины, рассчитанные по Пэрису и по предложенной новой модели, а также график роста наиболее быстрорастущей трещины в эксплуатации, приведены на рис.

12.

Рис. 12. Развитие трещины в стрингере: в эксплуатации, по Пэрису и согласно экспериментальной модели

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ '

Поставленная цель достигнута — разработан и обоснован комплекс научных и научно-технических решений по обеспечению безопасной эксплуатации и поддержанию летной годности парка вертолетов Ми-26Т в ГА РФ.

Получены следующие результаты:

1. Обобщены и систематизированы усталостные трещины фюзеляжа парка вертолетов Ми-26Т, обнаруженные в процессе эксплуатации:

- усталостные трещины классифицированы по месту локализации, зависимости от наработки вертолета, ремонтопригодности;

- выявлены повреждения, влияющие на безопасность полетов. Одним из таких повреждений являются трещины стрингеров, изготовленных из материала 01420;

- зоны фюзеляжа классифицированы по повреждаемости стрингеров, установлены критические зоны. Показана необходимость либо усиления конструкции в этих зонах, либо уточнения интервалов осмотра при техническом обслуживании;

- парк вертолетов Ми-26Т классифицирован по повреждаемости стрингеров. Повреждаемость стрингеров вертолетов 1-й и 3-й группы отличается на 2 порядка.

2. На основании проведенного статистического анализа распределения количества усталостных трещин стрингеров и процессов их возникновения в зависимости от наработки:

- установлены зависимости роста количества трещин стрингеров от наработки для фюзеляжа в целом и для отдельных зон;

- вычислены коэффициенты корреляции процессов возникновения трещин в различных зонах. Установлено, что имеются зоны фюзеляжа, процессы возникновения трещин в которых, протекают с высокой степенью корреляции;

- разработана методика оценки соответствия технического состояния стрингерного набора экземпляра вертолета состоянию парка. Методика основана на применении критерия Колмогорова для оценки правдоподобия статистических гипотез;

- разработана методика оценки эквивалентности воспроизведения эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях фюзеляжа. Данная методика также основана на применении критерия Колмогорова;

- определена критическая длина трещины стрингера;

- оценен период возникновения в одном отсеке 2-х и более трещин при наличии одной и более трещин. На основании расчетов разработана методика определения' интервалов осмотра стрингеров для различных зон, реализующая принципы допустимого повреждения и безопасного разрушения;

- на основании представления процесса возникновения трещин стрингеров в качестве пуассоновского потока событий разработана методика назначения периодичности осмотра для различных зон экземпляра вертолета в зависимости от повреждаемости стрингеров.

3. Определена скорость роста трещин стрингеров в различных зонах на реально эксплуатирующихся вертолетах.

4. Разработана методика воспроизведения эксплуатационных нагрузок при усталостных испытаниях элементов конструкции вертолета, учитывающая особенности нагружения стрингеров в типовом полете.

5. На основании проведенных стендовых испытаний элементов «обшивка-стрингер» и фрактографии испытанных образцов:

- установлено, что стрингеры из материала 01420 имеют большой разброс свойств сопротивления усталости;

- выявлены особенности прохождения трещины через сварную точку. Установлено, что в этом случае трещина практически мгновенно переходит на обшивку;

- живучесть стрингера, рассчитанная на основании уравнения Пэриса с использованием констант Сит, полученных в результате обработки данных стендовых испытаний, имеет более чем двукратный запас по сравнению с

данными, полученными в эксплуатации. С другой стороны, формула Пэриса не учитывает резкого увеличения скорости роста трещины по мере перехода на прилегающую полку стрингера;

- предложена экспериментальная модель роста трещины в стрингере. Рассчитанная по экспериментальной модели скорость роста усталостной трещины на 95 % соответствует эксплуатационным данным. ,

6. Практическая ценность проведенных исследований подтверждается тем, что материалы диссертации использовались и используются:

• в практической деятельности эксплуатирующих организаций (ОАО «Авикомпания «ЮТэйр», ООО «Авиакомпания «СКОЛ», ОАО «2-й Архангельский ОАО») при техническом обслуживании вертолетов Ми-26Т;

• в практической деятельности комиссий по оценке технического состояния экземпляров вертолета Ми-26Т в ГА РФ (ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля, ФГУП ГосНИИ ГА»);

• в практической деятельности разработчика (ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля»):

- при разработке Заключений о поэтапном увеличении ресурса парку вертолетов Ми-26Т в ГА РФ

- при разработке конструкторской документации на виды ремонта конструкции, не предусмотренные Руководством по технической эксплуатации вертолета Ми-26Т;

- для уточнения программ стендовых испытаний фюзеляжей вертолета Ми-26Т;

- для уточнения Регламента технического обслуживания вертолета Ми-26Т;

- при разработке бюллетеней промышленности;

- при разработке Заключений о возможности продолжения эксплуатации экземпляра вертолета;

• в практической деятельности авиаремонтных предприятий (ОАО «Роствертол», ОАО НАРЗ) при выполнении бюллетеней промышленности и ремонта.

7. Предложенный научно-методический аппарат может применяться:

- при разработке методов оценки технического состояния элементов авиационных конструкций;

при разработке программ воспроизведения эксплуатационного нагружения при стендовых испытаний элементов вертолетных конструкций;

при разработке моделей роста усталостных трещин в различных конструкциях;

- при проектировании новых вертолетов.

Основные результаты диссертации содержатся в 7 печатных научных работах, которые перечислены ниже:

Издания, входящие в перечень, рекомендованный ВАК при Министерстве образования и науки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций (4)

1. Осипов, Д.Н. Расчет параметров нагружения элементов «обшивка-стрингер» конструкции вертолета Ми-26Т при усталостных испытаниях / Д.Н. Осипов, B.C. Шапкин// Научный вестник МГТУ ГА. -2010,- № 153. - С. 70-77.

2. Осипов, Д.Н. Измерение скорости развития усталостных трещин в стрингерах из материала 01420 вертолета Ми-26Т / Д.Н. Осипов, B.C. Шапкин// Научный вестник МГТУ ГА. -2010,- № 153. - С. 77-83.

3. Осипов, Д.Н. Схематизация процесса эксплуатационного нагружения элемента «обшивка-стрингер» вертолета Ми-26Т для усталостных испытаний со случайным нагружением / Д.Н. Осипов, M.JI. Сердобольская, B.C. Шапкин// Научный вестник МГТУ ГА. -2010,- № 153. - С. 83-92.

4. Осипов, Д.Н. Распределение трещин стрингеров из материала 01420 вертолета Ми-26Т по фюзеляжу и процесс их накопления в зависимости от наработки / Д.Н. Осипов, B.C. Шапкин// Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2009. - № 141. - С. 84-92.

Научные публикации в других изданиях (3)

1 Осипов, Д.Н. Схематизация процесса эксплуатационного нагружения элемента «обшивка-стрингер» вертолета Ми-26Т для усталостных испытаний со случайным нагружением / Д.Н. Осипов, B.C. Шапкин // Сборник научных трудов ГосНИИГА-2010-№311 -С. 98-102.

2 Осипов, Д.Н. Схематизация процесса эксплуатационного нагружения элемента «обшивка-стрингер» вертолета Ми-26Т для усталостных испытаний со случайным нагружением /Д.Н. Осипов// Гражданская авиация: XXI век. Сборник материалов II международной молодежной научной конференции - С. 48-51.

3 Dmitry Osipov, Andrey Shanyavskiy, Stringers of 01420 alloy fatigue cracking in welding joints of stringer-sheets for helicopter tail boom. 19h European Conference on Fracture, Fracture mechanics for durability, reliability and sfety, p. 406.

Соискатель

Д.Н. Осипов

Отпечатано в типографии ООО «Корал-Принт» печать цифровая тираж 100 экз. www.coral-print.ru