автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методы оценки влияния коррозионных поражений планера на летную годность воздушных судов гражданской авиации

УДК 629.7.025.001.2:620.193

На правах рукописи

005533297

Лапаев Артем Валерьевич

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ КОРРОЗИОННЫХ ПОРАЖЕНИЙ ПЛАНЕРА НА ЛЕТНУЮ ГОДНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 9 СЕН Ш

Москва 2013

005533297

Работа выполнена в отделе Научного центра поддержания летной годности воздушных судов Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации

Научный консультант: Генеральный директор ФГУГТ ГосНИИ ГА лауреат премии правительства РФ заслуженный работник транспорта РФ доктор технических наук, профессор Шапкин Василий Сергеевич

Главный советник по науке ОАО «Авиационный комплекс имени С.В. Ильюшина» заслуженный конструктор РФ

Лауреат ленинской премии, премии правительства РФ Академик РАН, доктор технических наук Новожилов Генрих Васильевич;

Главный научный сотрудник ФГУП ГосНИИ ГА заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Фролков Анатолий Иванович;

Начальник департамента усталостной прочности и ресурса ЗАО «АэроКомпозит» доктор технических наук Стрижиус Виталий Ефимович.

Ведущая организация: Открытое акционерное общество "Туполев" (г. Москва)

Защита состоится 12 декабря 2013 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 315.002.01 на базе Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации, по адресу:

ул. Михалковская д. 67, корп. 1, Москва, РФ, 125438

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ГосНИИ ГА. С авторефератом на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки Российской Федерации http://vak2.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах заверенные печатью организации за 10 дней до защиты по адресу: ул. Михалковская д. 67, корп. 1, Москва, РФ, 125438 Ученому секретарю диссертационного совета.

Тел/факс (495)4953433, E-mail: dis.sovet@gosniiga.ru

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан "Об " сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 315.002.01 кандидат технических наук

А.И. Плешаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одним из важных факторов, оказывающих влияние на прочность и долговечность технических конструкций в эксплуатации, является коррозия металлов и их сплавов. Коррозия является причиной отказов, поломок и разрушений технических конструкций, в результате чего экономические и технические потери достигают значительных объемов. В связи с этим большие материальные средства расходуются на осуществление комплекса мероприятий по борьбе с коррозией, профилактическое обслуживание, ремонт и замену отдельных деталей. Прогнозирование и уточнение прочностных характеристик конструкций при коррозионном поражении на основе расчетно-экспериментальных методов, формирование справочных данных о влиянии коррозии на физико-механические характеристики конструкционных материалов являются необходимыми задачами в решении данной проблемы.

Диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической задачи оценки летной годности планера воздушных судов (ВС) при коррозионном поражении. Обязательным условием обеспечения летной годности ВС является выполнение требований норм летной годности по условиям статической и усталостной прочности конструкции планера ВС при случайных повреждениях, усталостных повреждениях и повреждениях вследствие коррозии. В настоящее время для оценки влияния случайных и усталостных повреждений на прочность конструкции разработаны приемлемые методы, основанные на результатах фундаментальных исследований в области сопротивления материалов, механики разрушения и теории упругости твердого тела. Для случаев коррозионного поражения также необходимы расчетные методы, позволяющие обосновать предельно допустимые размеры коррозии элементов конструкции планера, учесть влияние коррозионных поражений на усталость и живучесть конструкции.

Наиболее остро проблема коррозии планера возникает для ВС, эксплуатируемых длительное время. Эти ВС по общепринятой международной классификации относятся к "стареющим" ВС. В настоящее время к самолетам, которые превысили свои проектные ресурсы и сроки службы, относятся Ан-12, Ан-26, Ан-24, Ан-124, Ан-30, Ту-154М, Ту-134А, Ил-76, Ил-18, Як-40 и зарубежные - Боинг 707, Боинг 737-200, Боинг 747-200, ОС-9, ЭС-8. Высокая стоимость новых ВС определяет экономическую целесообразность эксплуатации самолетов старых модификаций, таким образом, проблема оценки влияния коррозионных повреждений на прочностные характеристики планера ВС является весьма актуальной. Важность рассматриваемой проблемы отражена в документах Международной Организации Гражданской Авиации (ИКАО), Федеральных авиационных правилах (ФАП), нормах летной годности. В условиях постоянного повышения конкуренции в области самолетостроения с учетом требований к увеличению показателей эффективности эксплуатации ВС, результаты диссертационной работы имеют большое хозяйственное значение.

Проблема оценки влияния коррозионных поражений планера ВС на летную годность относится к достаточно сложной научно-технической задаче,

для решения которой необходим системный подход. На этапе проектирования ВС проводится анализ конструкции планера по условиям коррозии, прогноз размеров и видов возможных коррозионных повреждений, оценка допустимых размеров по условиям прочности, формирование программы контроля и предупреждения коррозии. В процессе эксплуатации ВС способы борьбы с коррозией планера основываются на анализе параметров эксплуатационных коррозионных поражений, уточнении их влияния на прочностные характеристики конструкции планера, корректировки начала и периодичности осмотров.

В мировой практике ведущие авиационные фирмы при формировании стратегии технического обслуживания (ТО) ВС разрабатывают мероприятия по борьбе с коррозионными поражениями, которые отражаются в программе контроля и предупреждения коррозии, программе зонных осмотров, программе для стареющих самолетов. Программа контроля и предупреждения коррозии (Corrosion prevention and control program) разрабатывается уже на ранней стадии эксплуатации ВС в целях обеспечения летной годности ВС по условиям коррозии в результате ухудшения технического состояния из-за химических взаимодействий или воздействия внешней среды. Для длительно эксплуатируемых ВС при достижении определенного срока службы вступает в силу программа для стареющих самолетов (Aging Aircraft Program), в рамках которой предусмотрены дополнительные процедуры, обеспечивающие безопасность эксплуатации ВС.

При выполнении диссертационной работы был изучен и использован отечественный и зарубежный опыт контроля и предупреждения коррозионных поражений элементов конструкции планера ВС, изучены методы оценки их влияния на прочностные характеристики. Большой вклад в анализ усталостной прочности и живучести, в изучение коррозионных поражений и их влияния на прочностные характеристики конструкции планера ВС внесли специалисты конструкторских бюро (КБ), научно-исследовательских институтов (НИИ), предприятий ГА: Бутушин C.B., Байков С.М., Белов В.К., Воронкин Н.Ф., Васильев В.Ю., Громов М.С., Городецкий В.Н., Гришин А.Н., Дементьев А.Д., Дубинин В.В., Каширин В.В., Котелевец H.A., Карлашов A.B., Кореневский А.Г., Калюта A.A., Либман В.М., Лоим В.Б., Митрофанов О.В., Нестеренко Г.И., Нестеренко Б.Г., Панасюк В.В., Райхер B.JI., Рудзей Г.Ф., Семин A.B., Стрижиус В.Е., Сахин В.Х., Тимофеев А.Н., Фейгенбаум Ю.М., Шапкин B.C., Шунаев В.П., Яблонский И.С. и др. К настоящему времени отечественными специалистами проведен большой объем работ по исследованию различных аспектов влияния коррозионных поражений конструкции планера ВС на безопасность их эксплуатации. В большинстве случаев, авторы решали частные задачи в отношении коррозии элементов конструкции планера ВС. Однако, до настоящего времени на основе этих исследований не были сформулированы методы расчетно-экспериментапьной оценки влияния коррозии на усталостную прочность и живучесть конструкции ВС. Необходимость разработки таких методов и определило направление исследований, выполненных в настоящей диссертационной работе.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка и развитие расчетно-экспериментальных методов оценки влияния

коррозионных поражений планера на летную годность ВС по условиям усталостной прочности и живучести.

В процессе достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведен обзор и анализ существующих проблем в отечественной системе поддержания и оценки летной годности ВС при коррозионных поражениях конструкции планера. Сформулирована цель и основные направления исследований автора.

2. Проведена систематизация и статистический анализ данных о коррозионных поражениях конструкции планера ВС. В результате исследований установлен статистически обоснованный закон распределения размеров коррозионных поражений на элементах конструкции планера в процессе эксплуатации ВС и уточнены критические по условию коррозии зоны.

3. Разработана расчетная модель для оценки напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов конструкции планера ВС, в зависимости от геометрии коррозионного повреждения.

4. Проведены обширные экспериментальные исследования по изучению влияния коррозии и длительной эксплуатации на статическую прочность, усталостную долговечность и трещиностойкость элементов конструкции планера ВС. На основе полученных результатов испытаний разработаны подходы и алгоритмы, позволяющие обоснованно определять величины допустимых коррозионных поражений и оценивать влияние коррозии на ресурсные характеристики планера.

5. Разработаны инженерные расчетно-экспериментальные методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть типовых зон конструкции планера ВС.

6. Показана точность и достоверность разработанных методов и приведены результаты оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть на примере типовой зоны конструкции планера ВС с эксплуатационным коррозионным повреждением.

Методы исследования. Методы исследования включают в себя метод системного анализа, методы испытаний по определению механических характеристик металлов, методы металлографического анализа, статистические методы обработки расчетных данных и результатов испытаний, метод конечных элементов, методы механики разрушения и теории упругости.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в разработанных автором расчетно-экспериментальных методах оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть конструкции планера ВС ГА, совокупность которых имеет существенное значение для обеспечения и поддержания летной годности планера ВС по условиям прочности, эффективности и безопасности эксплуатации ВС и развития авиационной отрасли России в целом. При выполнении работы автором получены следующие новые результаты:

- уточнены критические по условию коррозии зоны конструкции планера ВС. В результате статистического анализа размеров коррозионных поражений конструкции планера, впервые установлен статистический закон распределения геометрических параметров коррозии;

- на основе выполненных автором экспериментальных и расчетных исследований разработаны методы оценки влияния коррозионных поражений на характеристики усталостной прочности и живучести конструкции планера ВС ГА;

- впервые предложено оценивать напряженно-деформированное состояние в зоне коррозионного поражения на основе математической модели коррозионного дефекта. В результате исследований получены основные закономерности напряженно-деформированного состояния в области коррозионного поражения;

- на основе разработанной методики моделирования искусственных коррозионных дефектов установлена зависимость, которая позволяет эффективно моделировать коррозию;

- получены новые экспериментальные данные, на основе которых установлены важные в исследованиях усталости металлов зависимости между параметром коррозионного поражения, усталостной долговечностью и эффективным коэффициентом концентрации напряжений.

Практическая значимость. Методы и конкретные результаты, представленные в диссертации, нашли применение в практике работ по поддержанию летной годности ВС в ОКБ, НИИ, предприятиях ГА. Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные автором расчетно-экспериментальные методы в совокупности позволяют повысить безопасность и эффективность эксплуатации ВС за счет:

- уточнения критических по условию коррозии зон конструкции планера ВС, выполненного в результате систематизации данных о коррозионных повреждениях в эксплуатации;

- определения характерных размеров коррозии в результате установленного статистического закона распределения параметров коррозионного повреждения на элементах конструкции планера ВС в эксплуатации;

- результатов экспериментальных исследований деградации механических характеристик, усталостной долговечности и трещиностойкости конструкционных алюминиевых сплавов, изменения прочностных свойств конструктивных соединений при коррозионных поражениях и длительной эксплуатации планера ВС;

- оценки влияния коррозионных повреждений на усталостную прочность и живучесть типовых зон конструкции планера ВС, на основе разработанных расчетно-экспериментальных методов.

Практическая значимость диссертационной работы подтверждена внедрением результатов исследования:

- при продлении ресурсов и сроков службы самолетов типа Ту-154, Ан-12;

- при внедрении безремонтной технологии эксплуатации самолетов Ту-154М;

- при установлении допустимых размеров коррозионных поражений и оценки усталостной долговечности планера при проектировании и разработке эксплуатационной документации самолетов 581-100.

Достоверность результатов. Достоверность результатов обусловлена научно обоснованным выбором методов и методик исследований, подтверждается корректным применением методов системного анализа, математического моделирования, математической статистики и теории

вероятностей, значительным объемом расчетных и экспериментальных исследований, проверкой этих данных статистическими методами, методами теории упругости и механики разрушения, применением алгоритмов метода конечных элементов.

На защиту выносятся.

- Разработанные расчетно-экспериментальные методы, позволяющие учитывать влияние коррозионных поражений при оценке усталостной прочности и живучести типовых зон конструкции планера ВС:

- метод оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность;

- метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины;

- Результаты статистических исследований коррозионных повреждений планера отечественных ВС;

- Разработанная автором расчетная модель для оценки напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов конструкции планера ВС в зависимости от геометрии коррозионного повреждения;

- Результаты экспериментальных исследований деградации механических характеристик конструкционных алюминиевых сплавов и изменения прочностных свойств конструктивных соединений при коррозионных поражениях и длительной эксплуатации планера ВС;

- Методика моделирования искусственных коррозионных дефектов и подготовки образцов для проведения испытаний по определению характеристик статической прочности, усталостной долговечности и трещиностойкости конструкционных алюминиевых сплавов при коррозионных поражениях;

- Полученные автором результаты металлографических исследований и усталостных испытаний образцов с межкристаллитной коррозией, обнаруженной на обшивке фюзеляжа самолета.

Личный вклад автора. Научные и практические интересы автора находятся в области оценки прочности и живучести конструкций при эксплуатации воздушного транспорта. Исследования касались достаточно широкого круга вопросов, однако, в первую очередь, они концентрировались на разработке инженерных методов оценки летной годности ВС при коррозионных поражениях конструкции планера, направленных на обеспечение безопасности эксплуатации ВС по условиям усталостной прочности и живучести. В рамках этих исследований особое внимание уделялось разработке методов при решении таких задач, как оценка допустимых размеров коррозионного повреждения конструкции планера ВС по условию усталостной прочности, и оценка влияния коррозии на усталостную долговечность и живучесть. Настоящая диссертация является обобщением исследований автора в этих направлениях.

Автором разработаны новые методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть конструкции планера ВС ГА, позволяющие уточнять предельно допустимые размеры коррозионных поражений. В основе методов лежат результаты механических испытаний

образцов с коррозией и расчет напряженного состояния в области коррозионного поражения по предложенным геометрическим моделям.

Автором проведены все представленные в диссертации статистические исследования коррозионных поражений отечественных транспортных самолетов и результатов механических испытаний, металлографические исследования коррозионных поражений, расчеты напряженно-деформированного состояния в зоне математической модели коррозионного дефекта. Автором проведен ряд испытаний на определение усталостной долговечности и трещиностойкости образцов с коррозионным поражением.

Автором впервые определена связь между теоретическим коэффициентом концентрации напряжений, полученного для смоделированного случая коррозии, и эффективным коэффициентом концентрации напряжений, полученного при испытании образцов с коррозионным поражением.

Автором разработаны электронный паспорт эксплуатационных повреждений конструкции планера ВС, модуль для анализа эксплуатационных повреждений планера, модуль хранения и анализа информации по результатам сертификации экземпляра ВС, база данных результатов проведенных механических испытаний, объединенных в информационно-справочную систему, ориентированную на решение вопросов поддержания летной годности ВС ГА.

Реализация работы. Результаты работы использованы в ФГУП ГосНИИ ГА при проведении работ по оценке технического состояния и продлении ресурсов и сроков службы самолетов Ту-154Б, Ту-154М, Ан-12, Ил-86; при внедрении безремонтной технологии эксплуатации самолетов Ту-154М; в ЗС МТУ ВТ ФАВТ в процессе мониторинга летной годности ВС ГА; в ОАО "Туполев", ЗАО "Гражданские самолеты Сухого", СибНИА им. С.А. Чаплыгина, МГТУ ГА при оценке усталостной прочности и живучести элементов конструкции планера при коррозионных поражениях; на предприятиях ГА в процессе оценки технического состояния планера ВС, при внедрении безремонтной технологии эксплуатации самолетов Ту-154М; в НГТУ на факультете летательных аппаратов в учебном процессе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа выполнена в соответствии паспорту по специальности 05.22.14 «Эксплуатация воздушного транспорта», п.11 «Разработка научных основ и методов обеспечения и сохранения летной годности воздушных судов в процессе эксплуатации».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались лично автором и обсуждались на Международной научно-техническая конференции "Гражданская авиация на рубеже веков" г. Москва 30-31 мая 2001г.; на региональной научно-практической конференции "Железнодорожный транспорт. Итоги и перспективы развития" г. Новосибирск 27-29 ноября 2002г.; на Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" г.Москва 17-18 апреля 2003г.; на Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" г.Москва, 18-19 мая 2006г.; на Всероссийской научно-технической конференции по аэродинамике

летательных аппаратов и прочности авиационных конструкций г. Новосибирск, СибНИА 17-19 июня 2008г.; на Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" г.Москва 26 мая 2011г.; на конференции, посвященной 70-летию ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина" г. Новосибирск, 22 сентября 2011г.; на IV Международной молодежной научной конференции "Гражданская авиация: XXI век" г.Ульяновск, 12-13 апреля 2012г.; на Международной конференции "Живучесть и конструкционное материаловедение" г. Москва, ИМАШ РАН, 22-24 октября 2012г.; на Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" г. Москва 24 апреля 2013г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 печатные работы, в том числе 1 монография. Из них 22 печатные статьи опубликованы в научных изданиях, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ для публикации материалов диссертаций. За последние три года опубликовано 9 печатных работ. Результаты исследований отражены в 26 научно-технических отчетах, в которых автор является ответственным исполнителем или руководителем.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и 4 приложений. Работа изложена на 305 страницах. Список литературы содержит 222 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, изложено обоснование актуальности темы исследования, определена цель и задачи диссертационной работы, представлена научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор основных нормативных документов, научно-технических достижений, исследований и методических рекомендаций, касающихся проблемы коррозионного поражения конструкции планера ВС. В результате обобщены и проанализированы опубликованные в печати значимые сведения о влиянии коррозионных поражений на прочностные характеристики конструкции планера ВС, эксплуатационные данные о коррозионных поражениях отечественных самолетов, основные требования к сохранению целостности конструкции планера по условию коррозионного поражения, предъявляемые к ВС документами ИКАО, нормами летной годности, документом МБС-З, действующими в эксплуатации нормативными документами. Обзор и анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации ВС ГА показал, что в настоящее время накоплен значительный объем теоретических и экспериментальных данных по различным аспектам проблемы коррозии конструкционных материалов и изделий авиационной техники. Коррозионные поражения конструкции планера характеризуют его техническое состояние, которое непосредственно влияет на летную годность ВС и безопасность его эксплуатации. Обзор проблемы подтверждает, что коррозионные повреждения, помимо ослабления статической прочности за счет уменьшения поперечного сечения элементов конструкции, являются

концентраторами напряжений и способствуют образованию усталостных трещин, в результате чего снижается усталостная долговечность и живучесть конструкции планера.

К настоящему времени в системе поддержания летной годности ВС сформировались основные подходы к решению проблемы коррозионных поражений на летную годность планера ВС, которые отражены на рис. 1. В закрашенных областях представленной схемы автор выделил проблемы,

Рис. 1 Летная годность ВС в рамках проблемы коррозионных поражений планера

В качестве выводов к первой главе сформулированы основные проблемы в рассматриваемой области исследований, которые требуют решения:

1. В работах исследователей, занимающихся проблемой коррозии авиационных конструкций и её влияния на прочностные характеристики планера ВС, уделено внимание, в большей степени оценке результатов конкретных механических испытаний образцов с коррозией. Результатами таких исследований являются фактические данные об изменении механических характеристик материала, в большинстве случаев не используемые в дальнейшем для развития методов установления допустимых размеров коррозионных поражений и учета влияния коррозии на усталостную прочность и живучесть.

2. Не установлены закономерности в изменении размеров эксплуатационных коррозионных поражений на элементах конструкции планера в зависимости от характеристик, связанных с наработкой и сроком службы ВС.

3. Недостаточно данных о влиянии наиболее опасных видов коррозионного разрушения материала (например, межкристаллитная коррозия) на прочностные характеристики элементов конструкции планера.

4. В целом отсутствуют практически применимые инженерные методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность конструкции планера ВС.

Разработка методов оценки влияния коррозионных поражений планера на летную годность ВС с применением анализа прочностных характеристик является комплексной задачей и требует использования статистических моделей развития коррозионных повреждений в эксплуатации, математических расчетных моделей анализа напряженно-деформированного состояния в зоне коррозионного поражения, экспериментальных методов изучения прочностных характеристик материалов в результате воздействия коррозии. В целом оценка влияния коррозионных поражений конструкции планера ВС должна показать, что катастрофического разрушения под действием типового спектра нагружения не произойдет в течение допустимого срока службы.

Во второй главе проведена систематизация данных об эксплуатационных повреждениях конструкции планера самолетов типа Ту-154, Ан-12, Ил-86 и статистический анализ параметров коррозионных поражений, результаты которых позволили уточнить критические зоны конструкции планера ВС и оценить размеры коррозионных поражений в эксплуатации. Используемые процедуры обработки информации апробированы при анализе более 3000 случаев коррозионных повреждений планера рассматриваемых самолетов, зафиксированных при ТО.

В результате исследований, проведенных во второй главе: - Получены количественные оценки дефектов, встречающихся в эксплуатации самолетов Ту-154М, Ту-154Б, Ил-86, Ан-12 с уточнением зон и конкретных конструктивных элементов планера с неоднократно встречающимися коррозионными повреждениями. На примере самолетов типа Ту-154 на рис. 2-3 представлены результаты оценки коррозионных поражений элементов конструкции фюзеляжа.

14,6

1 1

«шдииыи1'»2'1 1Л 1,11.51,3 | 1,4 | ■ I ■

(П0101гчтоон1\ г- г- 1/1 ^ г— Ч Ч т| Ч Ч т1 1 1 Л 1 из 1Г го Ю Р^ 1 с1 31

_ с с с с ЗЗЭЗЭЭНЭЭ

I I [ { I I I а. а. а. о. а. а. и

Рис. 3 Частота повторяемости критических по условию коррозии зон конструкции фюзеляжа самолетов типа Ту-154

Примечание. "Прочие конструктивные элементы (КЭ)" вспомогательные элементы конструкции, не влияющие на прочность конструкции планера в целом (например, кронштейны крепления багажной сетки и т.п.)

Рис. 2 Коррозия элементов конструкции фюзеляжа самолетов типа Ту-154

- Проведена статистическая оценка параметров коррозионных поражений, фиксируемых при ТО планера самолетов типа Ту-154 согласно действующему регламенту. Рассматривались максимальная глубина коррозионного поражения

- h, длина - 2а, ширина - 2Ь, а также производные параметры от этих величин, поверхностная площадь S и соотношение поверхностных размеров коррозионного поражения q = а/Ь. Для рассматриваемых параметров строилась корреляционная матрица. Анализировались непараметрические коэффициенты ранговой корреляции между геометрическими размерами коррозионного поражения - коэффициент г Спирмена (Spearman) и коэффициент конкордации t Кенделла (Kendall). Для коэффициентов вычислялась нормальная аппроксимация (Z-статистика) и уровень значимости Р гипотезы о равенстве нулю коэффициента корреляции. Если Р>0.05, то нулевая гипотеза принималась. В результате анализа сделаны выводы о связи между рассматриваемыми параметрами коррозионного поражения:

- Высокая корреляция до 0.93 установлена между базовыми поверхностными размерами коррозии (длина, ширина) и их производными (площадь S, и отношение размеров q). Обнаруженная корреляция говорит о наличии монотонной связи между параметрами (большему значению одной переменной всегда соответствует большее (или всегда соответствует меньшее) значение другой переменной);

- Между глубиной коррозионного поражения и площадью наблюдается очень низкая корреляция, приближающаяся к нулю. На отдельных элементах (шпангоут, обшивка) корреляция между глубиной коррозионного поражения и площадью отсутствует. На основании этого сделан вывод, что данные параметры (глубина h и площадь S или параметр q) являются независимыми и могут рассматриваться как независимые случайные величины;

- При прохождении технического обслуживания планера самолетов типа Ту-154 с интервалом, согласно действующему регламенту, наблюдается закономерность распределения площади коррозии 5 (на балке пола, обшивке, шпангоуте) в соответствии с логнормальным законом распределения. Проверка выборочного распределения величины x=log(S) на нормальность проведена по критериям Колмогорова, Омега-квадрат и Хи-квадрат.

- По результатам измерений глубины коррозионного

поражения, выполняемых в эксплуатации при прохождении форм технического обслуживания планера, установлено значение увеличения глубины

коррозионного поражения на конструктивных элементах

фюзеляжа самолета типа Ту-154 за год эксплуатации (рис. 4).

Зэ I (оа .жсгиуа^ци* __

„ , - Проведен металло-

Рис. 4 Увеличение глубины коррозии за год Г ,

эксплуатации ВС графический анализ обшивки

фюзеляжа самолетов ИЛ-86 после

t Фитинг jsona 3 5ГО шл S4 673)

/• iiawMi-oyr ¡son« 3 ЬГО 1*1 В4-6/Л)

// . ♦ Стриигер ¡зона П ЬГО Л ЗСИ1)

// •'

// .'

// /

'.// /

///

.-Г.-' У ~о- Стрингер Сзонз П STO. um 22-30)

/У/ у'

/// /

/

/?/ у/ а о Сту-окер • ахо ¿bf'O

-- i ЬГО шп 84-87»)

-д- Обшивка t>ui«J П Ы'О lun ЗСИ1)

15 лет эксплуатации, демонтированной в процессе ремонтных работ по причине коррозионного поражения, который показал наличие межкристаллитной коррозии (МКК) под слоем коррозии общего вида. Статистический анализ глубины МКК, зафиксированной в процессе изучения шлифов поперечного сечения обшивки, позволил установить закономерность её распределения в

Рис. 5 Гистограмма и кривая плотности Рис. 6 Распределение логарифма глубины

распределения логарифма глубины МКК МКК и 95 %-ая доверительная область

В результате проведенных исследований автором сделаны следующие основные выводы:

1. По результатам обработки и систематизации данных о коррозионном состоянии самолетов типа Ту-154, Ан-12, Ил-86 проведен анализ критических зон конструкции планера по условию коррозии и закономерности изменения их геометрических размеров. Установлено, что в наибольшей степени у самолетов типа Ту-154 критической по условию коррозии является зона задней части фюзеляжа в районе шпангоутов 64-66. В указанной зоне коррозии подвергаются непосредственно шпангоут и силовая балка пола. Среди элементов конструкции планера в количественном соотношении в большей степени коррозией поражены стрингеры багажных отделений (более 50 % от всех коррозионных поражений конструктивных элементов фюзеляжа самолета). Для самолетов типа Ан-12 критическими зонами по условию коррозии являются области шпангоутов 25, 27, 30, 33, 65. В количественном соотношении в наибольшей степени коррозией поражены шпангоуты фюзеляжа (49 %) и лонжероны крыла (57%). Для самолетов Ил-86 - в области шпангоутов 25, 40. В количественном соотношении в наибольшей степени коррозией поражена обшивка фюзеляжа (54%).

2. Статистический анализ параметров коррозионного поражения показал, что величина глубины коррозионного поражения и величина его площади распространения по поверхности элементов конструкции планера являются независимыми случайными величинами. Этот вывод позволяет рассматривать распространение коррозии по поверхности элементов независимо от распространения коррозии в глубину.

3. Рассматривая величину площади коррозионного поражения элементов конструкции планера, фиксируемую в рамках установленных интервалов периодических осмотров, как случайную величину, установлено, что для

элементов конструкции фюзеляжа самолетов типа Ту-154 (балка пола, обшивка, шпангоут) она подчиняется логнормальному закону распределения. Показано, что с вероятностью 95% при установленной периодичности ТО планера самолетов типа Ту-154 после 15 лет эксплуатации площадь пораженной поверхности обшивки фюзеляжа не превышает 17,5% от зоны между стрингерным и шпангоутным набором фюзеляжа.

4. На основании статистического анализа результатов металлографических исследований установлен закон распределения глубины МКК, обнаруженной в обшивке фюзеляжа самолета после 15 лет эксплуатации под слоем поверхностной коррозии общего вида. Рассматривая глубину МКК, как случайную величину, установлено, что она подчиняется логнормальному закону распределения.

5. Полученные автором результаты статистических исследований по коррозионным повреждениям в эксплуатации способствуют уточнению критических по условиям коррозии зон конструкции планера ВС, определению с требуемой вероятностью размеров коррозии на установленной периодичности ТО планера самолетов, что позволяет обоснованно проводить продление ресурсов и сроков службы самолетов, переходить к эксплуатации ВС по безремонтной технологии.

В третьей главе предложена математическая модель геометрии коррозионного повреждения тонкостенных элементов конструкции планера ВС для проведения расчетной оценки напряженно-деформированного состояния. Проведен теоретический расчет напряженно-деформированного состояния в зоне смоделированного коррозионного дефекта. Построены зависимости изменения уровня концентрации напряжений от его геометрических размеров. Все расчеты проводились с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Расчетная модель разбивалась на 8-ми узловые трехмерные конечные элементы.

Количественно уровень концентрации напряжений оценивался с помощью теоретического коэффициента концентрации напряжении /Су. Коррозионный дефект моделировался поверхностью, описываемой уравнением трехосного эллипсоида (1), определенной тремя геометрическими размерами: длиной 2а, шириной 2Ъ и глубиной Ь:

X2 у1 2г , , , ,1Ч

— + —+ — = 1, где И<Ь<а (1)

Ъ а И

В результате проведенных в третьей главе исследований автором сделаны следующие основные выводы:

1. Предложенная модель коррозионного повреждения позволяет провести расчет напряженно-деформированного состояния в тонкостенных элементах конструкции планера ВС с коррозионным повреждением (рис. 7-9).

2. Анализ напряженного состояния для модели коррозионного поражения показал, что для полученных зависимостей теоретического коэффициента концентрации напряжений от геометрических размеров коррозионного поражения справедливы следующие закономерности:

- изменение теоретического коэффициента концентрации напряжений от глубины дефекта характеризуется линейной зависимостью (рис. 11);

изменение теоретического коэффициента концентрации напряжений не зависит от размеров длины и ширины коррозионного поражения, а зависит только от их соотношений (с увеличением соотношения сторон концентрация напряжений увеличивается (рис. 11));

шл./нерв.

шп./нерв.

Рис. 7 Типовая зона с коррозионным поражением

Рис. 8 Поперечное сечение типовой зоны с коррозионным поражением

Рис. 10 Изменение напряжений на поверхности коррозионного дефекта по сечению А-А для глубины дефекта 20% от толщины обшивки при q=l (q=a/b)

Рис. 9 Расчет напряженного состояния для модели коррозионного дефекта трехосный эллипсоид (четверть модели)

Ширина

V' J

."Í- -

-

q=a/b=C; 2а. 2b - д рина корр

?

"' л 2а-20 им - 2*=Э0мм | "" I

\ Й Й /.; .

{У

V \ - h: 1

„ V*

30 ло 50 60

'О 30 30 «о

Глубина, %

Рис. 11 Зависимость Кт от глубины дефекта при различных значениях д

50 60 ГлуОина h.%

30 SO too

Рис. 12 Зависимость отношения "/о- от глубины дефекта при q=l

локальные напряжения (аконт) на контуре рассматриваемой геометрической модели коррозионного поражения по мере роста его глубины (в пределах до

70% от толщины) повышаются до максимальных напряжений, которые возникают на "дне" дефекта (о^) (рис. 9, 10, 12). Таким образом, возникает две зоны (рис. 9) повышенных напряжений одинакового уровня концентрации (рис. 12).

В четвертой главе обобщены и изложены результаты механических испытаний на определение основных характеристик статической прочности, усталостной долговечности и трещиностойкости конструкционных алюминиевых сплавов серии Д16 и 1163 в случае их коррозионного поражения, проведенные автором диссертационной работы либо при его непосредственном руководстве. Исследования фактического влияния коррозионного поражения на характеристики материала основывались на испытаниях образцов с коррозионным дефектом. Одной из основных задач при выполнении испытаний была задача установления экспериментальной зависимости между параметром коррозионного поражения и исследуемой характеристикой материала. В результате проведенных испытаний и общего анализа их результатов автором решены следующие основные задачи:

1. Для оценки влияния коррозионных поражений на прочностные характеристики конструкции планера ВС, на основе проведенных обширных экспериментальных исследований для алюминиевых сплавов серии Д16 и 1163 получены механические характеристики, характеристики усталостной долговечности и трещиностойкости на стандартных образцах и образцах с коррозионным дефектом в качестве концентратора напряжений, которые в дальнейшем легли в основу разработанных методов. С использованием статистических методов обработки результатов испытаний проведен сравнительный анализ оценки влияния эксплуатационной наработки на характеристики усталостной долговечности материала обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154.

2. Проведен анализ усталостной долговечности продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа длительно эксплуатируемого самолета типа Ту-154, в том числе с коррозионным дефектом на обшивке вблизи заклепочного шва.

3. Проведен металлографический анализ каждого коррозионного дефекта, что позволило контролировать характер разрушения материала вследствие коррозии.

4. В процессе выполнения экспериментальных исследований автором разработаны:

- методика изготовления и подготовки образцов для проведения испытаний по определению характеристик статической прочности, усталостной долговечности и трещиностойкости конструкционных алюминиевых сплавов при коррозионных поражениях;

- методика моделирования искусственных коррозионных дефектов. Для описания процесса моделирования коррозионного дефекта введены следующие определения: оптимальное время экспозиции образцов в растворе электролита - Ьопт-, количество экспозиций - и; общее время экспозиции -Т = Ьопт • п. В процессе моделирования коррозионного дефекта в качестве контролируемого параметра рассматривалась глубина коррозии. В результате анализа процесса моделирования коррозионного дефекта установлена

экспериментальная зависимость h = f(t,n), которая представлена на рис. 13 и имеет вид:

h(n,tom = 4 ч) = 0.01- п1-563 (2)

Оптимальное время экспозиции образцов в растворе электролита определено экспериментальным путем для сплавов серии Д16 и 1163. ^ 0 61—————-1—I—I—————С^П

°0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Количество экспозиций (п)

Рис. 13 Экспериментальная зависимость процесса моделирования коррозии

В процессе анализа результатов испытаний сформулированы следующие основные выводы:

1. При статических испытаниях образцов на растяжение:

- коррозионное поражение не оказывает статистически значимого влияния (с уровнем доверия 95%-ов) на характеристики стпц, а0 2, сгв;

- коррозионное поражение оказывает статистически значимое влияние (с уровнем доверия 95%-ов) на характеристику среднего значения относительного удлинения, которое уменьшается в 1.8 раза в случае коррозии;

- установлено, что при коррозии статистически значимым является увеличение среднеквадратического отклонения механических характеристик статической прочности:

- среднеквадратическое отклонение относительного удлинения увеличилось в 5.8 раз;

- среднеквадратическое отклонение характеристик прочности 5СТо2, 8а , Бав увеличилось в пределах 2.4-3.9 раза.

2. При испытаниях образцов на усталость:

- установлена линейная зависимость между логарифмом параметра коррозионного поражения и логарифмом числа циклов до разрушения;

- в результате исследования влияния межкристаллитной коррозии на усталостную долговечность образцов установлено, что МКК значительно её снижает (рис. 14-15), уменьшая усталостную долговечность в 7.9 раза по сравнению с коррозией общего вида.

3. Дополнительно, в рамках работ по обоснованию возможности увеличения ресурсов и сроков службы самолетов Ту-154, были проведены экспериментальные исследования характеристик долговечности материала обшивки и продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа с длительной эксплуатационной наработкой, которые показали, что:

Группа образцов Группа образцов

1 " Ркоробщ=5% от образца; 2 - Ркороещ=6.8% от /■„„ образца; 3 - =7.2% от /'„,, образца

Рис. 14 Доля характера коррозионного Рис. 15 Уменьшение долговечности в повреждения от общей площади зависимости от характера

повреждения коррозионного поражения

- значение средней долговечности материала с эксплуатационной наработкой ниже средних значений долговечности для материала в стадии поставки с завода изготовителя, но находится в пределах области 95%-го доверительного интервала характеристик долговечности материала в стадии поставки с завода изготовителя. Остаточная долговечность материала обшивки с эксплуатационной наработкой достаточно велика и позволяет говорить о возможной безопасной эксплуатации (с учетом требуемых коэффициентов надежности) в пределах еще как минимум одного проектного ресурса;

- остаточная усталостная долговечность образцов продольных заклепочных стыков обшивки фюзеляжа, изготовленных из панели обшивки фюзеляжа самолета после длительной наработки в эксплуатации достаточно высока и позволяет говорить о возможной безопасной эксплуатации еще в пределах как минимум 10000-15000 полетов (с учетом требуемых нормами запасов). Эффективный коэффициент концентрации напряжений для образцов продольных заклепочных стыков, изготовленных из панели обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 после длительной наработки в эксплуатации не значительно отличается от значения КЭф, полученного по данным КБ для образцов продольных заклепочных стыков без наработки, то есть эксплуатационная наработка и срок службы ВС не повлияли значимо на концентрацию напряжений в продольном стыке обшивки фюзеляжа.

В пятой главе разработаны расчетно-экспериментальные методы, позволяющие учитывать влияния коррозионных поражений при оценке усталостной прочности и живучести типовых зон конструкции планера ВС:

- метод оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность;

- метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины.

На основе разработанного метода оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность предложено ранжирование коррозии на уровни по условию усталостной прочности.

Классическим подходом исследования процесса разрушения материала, является разделение процесса разрушения на этапы зарождения трещины и её

развития. По мнению автора, проводить оценку коррозионного поражения по условию усталостной прочности следует по аналогии с классическим подходом, но с учетом специфики влияния коррозии на протекающие процессы механического разрушения материала. Разработанный метод оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность зон конструкции планера позволяет:

- устанавливать допустимые размеры коррозионного поражения по условию усталостной прочности;

- оценивать усталостную долговечность зоны конструкции планера при коррозионном поражении.

Зона коррозионного повреждения на элементе конструкции планера ВС является концентратором напряжений. Количественно уровень концентрации напряжений характеризуется коэффициентами концентрации напряжений теоретическим и эффективным. В расчётах усталости параметр Кэф является ключевым. Алгоритм получения ключевых зависимостей, лежащих в основе метода оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность, заключается в следующем:

- На основе испытаний лабораторных образцов с коррозией на усталостную долговечность строятся регрессионные зависимости числа циклов N до разрушения, как функции параметра коррозионного поражения (см. рис. 16-а).

- На основе полученных зависимостей строятся кривые усталости для образцов с коррозионным поражением в координатах а — N совместно с базовой кривой усталости, построенной для стандартных образцов типа полосы с центральным отверстием (см. рис. 16-6).

- На основе кривых усталости строятся зависимость значений эффективного коэффициента концентрации напряжений от параметра коррозионного поражения КЭф = /(р) (см. рис. 16-с).

В качестве критерия установления допустимого значения параметра коррозионного поражения принято условие, что разрушение от коррозионного повреждения должно произойти не ранее, чем разрушение от регулярного концентратора напряжений. Характеристика сопротивления усталости для зоны конструкции планера с регулярным концентратором напряжения оценивается по результатам испытаний на усталостную долговечность стандартных плоских образцов с центральным отверстием для которых Кэф = 3 (базовая кривая усталости). В математической интерпритации это соответствует всем значениям параметра коррозионного поражения для которых Кэф<3 (см. рис. 16-с).

Для оценки долговечности типовой зоны конструкции планера с коррозионным поражением при известном значении его параметра используется формула для пересчета кривой усталости:

где С, т- параметры базовой кривой усталости.

\ Базовая кривая усталости

к' - я

Р,<Рг<Р1

Р, Р, - Р. Р

а)

р— параметр коррозионного поражения; N — число циклов до полного разрушения образца;

Ыб - базовое число циклов; **

сг - величина прикладываемого переменного напряжения;

<Т0 - величина напряжения при базовом числе К«=3 циклов;

К^ — эффективный коэффициент концентрации напряжений.

I

б)

Рис. 16 Общая схема расчета допустимого значения параметра коррозионного поражения

В качестве параметра коррозионного дефекта, характеризующего влияние коррозионного поражения на усталостную долговечность, рассматривался теоретический коэффициент концентрации напряжений /Ср. Выбор обусловлен его физическим смыслом в проблеме усталости материалов. На основе обобщения результатов обширных экспериментальных исследований, проведенных автором работы, на рис. 17 представлена зависимость значений эффективного коэффициента концентрации напряжений Кэф от параметра коррозионного поражения К^ для алюминиевых сплавов серий Д16 и 1163.

Используя расчеты напряженного состояния для выбранной модели коррозионного дефекта (рис. 11) и полученное предельно-допустимое значение параметра коррозионного поражения, рассчитана зависимость предельно допустимых размеров коррозионного повреждения в виде соотношения геометрических размеров коррозионного поражения {2а, 2Ь, И) (рис. 18):

К ■ д0 555 = 101 682 (4)

Автором работы в результате обобщения испытаний на усталость предложено ранжирование уровня коррозии по условию усталостной прочности. С учетом глубины коррозионного поражения, параметра и нижней 95%-ой доверительной границы для зависимости предельно допустимых размеров коррозионного повреждения (формула 4) выделим три уровня коррозии (рис. 19).

—Г^г

21

« -----

• • •

, ' ' • • •• "-""в •

• • • • •

• • V"'

• 1 \

• • • \

Кэф = 1.14 +2.746-1п(Кт)

I • • ' •

л

>

1 1.2 1.4 1.6 1.8

Допустимый параметр

2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 _Недопустимый параметр_

/("Г

Рис. 17 Зависимость значений /СЭф = /(/Ср) для алюминиевых сплавов серий Д16 и 1163 и 95%-ая доверительная область

Ц

д\

\\\

% ч: ч'Ч ч

; I

\ ... Л

V™. 1 Л • <70 5! 5 = м1- 06 -

Уровень 2' ✓ " '■■]-........ ! !

Глубина Ь. Ч Глубина Ь. ?«

Рис. 18 Значения допустимых размеров _ , „ „

^ г г рис ¡9 ранжирование уровней коррозионного

па/о, И) коррозионного повреждения для г г _

гг ' „, , ,,,, поражения по условию усталостной прочности

алюминиевых сплавов серии Д16, 1163 и 95 г „ ....

„. Т для алюминиевых сплавов серии Д16, 1163

%-я доверительная область

Уровень 1 - коррозионное поражение с глубиной коррозии до 10% от толщины элемента имеет допустимый размер по условию усталостной прочности без ограничения на соотношение поверхностных размеров.

Уровень 2 - коррозионное поражение с глубиной коррозии более 10% от толщины элемента, и попадающее в область с уровнем 2 имеет допустимый размер по условию усталостной прочности и ограничением на соотношение поверхностных размеров q.

Уровень 3 - коррозионное поражение с соотношением размеров ¡7 и /г, попадающим в область уровня 3 имеет недопустимый размер коррозии по условию усталостной прочности. Коррозионное поражение представляет непосредственную угрозу летной годности ВС и требует принятия срочных мер.

В таблице 1 представлена градация уровней коррозионного поражения по условию усталостной прочности для алюминиевых сплавов серии Д16 и 1163.

Табл. 1 Градация уровней коррозионного поражения по условию усталостной прочности для элементов конструкции, выполненных из алюминиевых сплавов серии Д16 и 1163

Уровень коррозионного поражения Диапазон значений относительной глубины коррозионного поражения от толщины элемента, % Диапазон значений параметра д

1-й уровень (ХИ <10% 1 ^Ч

2-й уровень 10%<й <40% /1П 1.606ч 1-802 С ь )

3-й уровень 10%<Л<40% ( н )

А >40% 1<<7

На этапе развития трещины проводятся исследования по влиянию коррозионного поражения на изменение скорости её роста. Механизмы развития усталостной трещины в зоне коррозионного повреждения достаточно разнообразны и зависят от типа коррозии, характера разрушения материала под воздействием коррозионной среды, геометрии конструктивного элемента и его размеров, геометрии и размеров коррозионного поражения и, как следствие напряженного состояния в зоне коррозии, интенсивности и последовательности воздействия агрессивной среды и механического нагружения и т.п. Анализируя факторы, влияющие на изменение скорости роста усталостной трещины, можно сделать вывод, что одной из причин увеличения скорости роста трещины при коррозионном поражении является увеличение напряжений за счет уменьшения площади поперечного сечения элемента вследствие утонения от коррозионного повреждения. Такой эффект является основным при определенном характере разрушения металла от воздействия агрессивной среды (например, равномерная коррозия общего вида). В случае более опасного характера разрушения материала от коррозии (например, межкристаллитная коррозия, транскристаллитная коррозия, расслаивающая коррозия, щелевая коррозия т.п.) следует ожидать большего увеличения скорости развития трещины, а также возникновения многоочагового усталостного разрушения в области коррозионного поражения. Еще более усложняет исследования тот факт, что в реальных условиях идентичных коррозионных поражений не существует. Наиболее точно оценить влияние коррозионного поражения на скорость роста трещины представляется только экспериментальным путем. Разработанный автором метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины позволяет экспериментально подтвердить закономерность изменения длительности роста трещины в условиях коррозионного поражения.

Суть метода заключается в определении поправочной функции, учитывающей влияние коррозионного поражения на основании испытаний образцов с коррозией.

При рассмотрении тонкостенных элементов выражение для коэффициента интенсивности напряжений для центральной сквозной трещины нормального отрыва имеет вид:

Кг=о-{Лй)'(р (5)

В случае коррозии запишем формулу (5) в виде:

К1=<т1- (л/й) • <р (6)

где а - номинальные растягивающие напряжения; ср - безразмерная поправочная функция; I - полудлина трещины; сг, = <ртр • а - увеличенные

напряжения в зоне коррозионного поражения.

С учетом (6) выражение для приведенного коэффициента интенсивности напряжений для сквозной трещины в зоне коррозионного поражения можно записать в виде:

(7)

а

<ркор - поправка на увеличение напряжений, учитывающая утонение от локального коррозионного повреждения.

Методика определения поправочной функции для образцов с коррозионным поражением заключается в следующем:

1. Испытание на трещиностойкость стандартных образцов:

Ктгх = 4Я-ср{1) (8)

» = С(К^У (9)

Определение параметров уравнения Пэриса С к п.

2. Испытание на трещиностойкость образцов с коррозией подобных стандартным образцам:

^шах^-еЖО (10)

(Ц)

3. Определение поправочной функции:

(ктУ=С-1-и (12)

МЙ" (13) {-)'

(14)

Л (, и \ Ъ^Кор) ДРкоД'. Кор)= ^

(15)

Принимаем условие на основании анализа результатов испытаний

<Р1 ('. Ькор) = <Р (0 • <Ркор (Лкор) (16)

тогда

<Ркор =-- = ' (17)

4. Получаем выражение для КИН при коррозионном поражении с дополнительной поправочной функцией, учитывающей влияние коррозии:

Ктах=^-ф<РКоркор) (18)

На рис. 20 представлена регрессия для анализируемых экспериментальных значений <ркор, Л и расчетная зависимость , учитывающая увеличение напряжений в результате утонения элемента от коррозионного повреждения. Регрессия проведена гиперболической зависимостью вида:

(рК0ЛЬ) =-----(19)

ч'корч / 1.039-1.049/1 у '

Результат сравнения показывает совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей.

Таким образом, для расчета длительности роста усталостной трещины в случае равномерного

коррозионного поражения общего характера можно использовать справочные данные по

трещиностойкости материала с учетом поправки на уменьшение толщины в результате воздействия коррозии. В случае более опасных видов коррозии необходимо вводить дополнительную поправочную функцию на характер разрушения металла, на основании экспериментальных исследований.

В результате проведенных в пятой главе исследований, сделаны следующие основные выводы:

1. Разработанный метод оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность позволяет проводить инженерную оценку усталостной долговечности пораженного коррозией элемента конструкции планера ВС на основе расчетной модели коррозионного дефекта и экспериментальных данных, полученных на образцах с коррозией, отражающих истинную картину влияния коррозии на прочностные свойства материала.

2. На основании разработанного метода для конструкционных алюминиевых сплавов серии Д16 и 1163 получена зависимость для соотношения размеров коррозионного поражения, которая позволяет проводить инженерную оценку допустимых размеров коррозии по условию усталостной прочности.

3. На основании разработанного метода предложена методика ранжирования коррозионных поражений на уровни по условию усталостной прочности в зависимости от соотношения размеров поверхности поражения. Выполнение ранжирования коррозионных поражений на уровни является рекомендациями ИКАО. Для конструкционных алюминиевых сплавов серии Д16 и 1163 проведено ранжирование размеров коррозионных поражений с характером разрушения материала от коррозии общего типа.

4. Предложен и обоснован расчетно-экспериментальным путем метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины на

«г Т--- ■ 1

ор • - экспериментальные точки - - регрессия экспериментальных точек по формуле (19) ----теоретический расчет

Относительная глубина коррозии Л

Рис. 20 Регрессия экспериментальных данных и теоретический расчет

элементах конструкции планера, который позволяет на основе полученной поправочной функции учитывать влияние коррозионного поражения в задачах оценки эксплуатационной живучести конструкции планера ВС. Определена поправочная функция на коррозию и установлены её свойства, которые заключаются в её зависимости только от глубины коррозионного поражения и характера разрушения материала при коррозии. Таким образом, путем введения поправочных функций на глубину коррозии и характер разрушения материала при коррозии можно проводить расчет длительности роста трещины в условиях коррозионного поражения по стандартным характеристикам материала. 5. Основное преимущество и достоверность методов, представленных автором в настоящей работе, является их базирование на испытаниях, проведенных на образцах с коррозионным повреждением.

В шестой главе показана результативность разработанных методов путем сравнения экспериментальных данных с расчетом на примере оценки долговечности продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета с коррозионным повреждением. Рассмотрена реализация разработанных автором методов на примере оценки усталостной долговечности зоны подпольного пространства фюзеляжа самолета типа Ту-154 с эксплуатационным коррозионным поражением. Представлены разработанные базы данных, содержащие основные результаты исследований автора, которые объединены в виде модулей в единое информационное пространство, как информационно-справочная система (рис. 21)._

^Мониторинг коррозии парка ВС |

Системы сбора и анализа информации о техническом состоянии конструкции ВС

Прочность и живучесть конструкции ВС |

М&поды исследования впияния коррозионных повреждений на характеристики промости и живучести конструктивных элементов

Расчетные методы

На рисунке 22, используя поправочную функцию на коррозию (формула 19), приведена кинетическая диаграмма усталостного разрушения, построенная по

результатам испытаний стандартных образцов и образцов с коррозией, изготовленных из сплава марки 1163АТ.

На рис. 23 представлены результаты испытаний на усталость образцов продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа с коррозионным дефектом и теоретический расчет кривых усталости разработанным методом оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность для типовых зон конструкции планера. Сравнение результатов расчета и усталостных испытаний показывают достоверность и точность разработанных методов.

Расчет мо-эксперимет ал ьмые методы инженерного анализа влияния коррозионных поражении на характеристики прочности и живучести элементов конструкций планера ВС

Характеристики усталости

БД по характеристикам материала при коррозионном _поражении_

БД по механическим испытаниям алюминиевых _сплавов_

Рис. 21 Разработки, входящие в информационно-справочную систему

V, м/цикл

Ш:

Стандартные образцы

I Образцы с коррозией

Рис. 22 Сравнение средних участков кинетической диаграммы усталостного разрушения и 95 %-я доверительная область от кольцевых напряжений, возникающих вследствие избыточного давления. Табл. 2 Параметры коррозионного поражения

Для зоны обшивки фюзеляжа самолета Ту-154М, пораженной при эксплуатации коррозией с поверхностными размерами (80*70) мм и глубиной 0,15 мм разработанными методами проведен расчет долговечности. Рассмотрен случай продольной трещины в обшивке фюзеляжа самолета. Параметры

коррозионного поражения

представлены в табл. 2.

Развитие продольной

трещины в обшивке фюзеляжа самолета происходит в основном

Толщина обшивки, мм Кольцевые напряжения в обшивке фюзеляжа кГс Размеры коррозионного поражения, мм (2ах2ЬхИ) <7 Уровень коррозионного поражения

1,2 9,34 80x70x0,15 12,5 1,1 2

Рис. 23 Результаты испытаний образцов продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа с коррозионным дефектом и теоретический расчет кривой усталости

На рисунке 24 представлен прогноз снижения усталостной долговечности зоны, рассчитанной по разработанному методу, с учетом увеличения глубины коррозионного поражения обшивки фюзеляжа самолетов типа Ту-154 за год эксплуатации (рис. 4).

Расчет скорости роста продольной трещины в обшивке фюзеляжа самолета проведен с использованием автоматизированной системы расчета «Алтай» по уравнению Формана:

сИ „ АК"

- = С-

(1-Я)Кс-АК

где Л - коэффициент асимметрии цикла; АК — Ктах коэффициента интенсивности напряжений для цикла нагружения; параметры уравнения Формана; Кс- вязкость разрушения.

(20)

размах С, п -

Прогнозируемое увеличение -глубины коррозионного поражения •

/

Остаточная долговечность зоны

допущения при

Сро спужйы, га ■

Рис. 24 Снижение долговечности до образования трещины в зоне с коррозионным поражением по отношению к регулярному концентратору напряжений в виде отверстия

N - долговечность зоны с коррозией N0 - долговечность зоны с регулярным концентратором напряжений

Основные расчете:

рассматриваем развитие

сквозной трещины с учетом всех особенностей влияния коррозии;

один цикл нагружения соответствует одному полету самолета.

Результаты вычислений

длительности роста усталостной трещины в зоне рассматриваемого коррозионного поражения приведены на рис. 25 в сравнении с ростом усталостной трещины для неповрежденной зоны. На рис. 26 представлен график изменения остаточной прочности

рассматриваемой зоны с коррозионным поражением и ростом усталостной трещины.

1 - Длительность роста трещины без коррозии

2 - Длительность роста трещины при коррозии глубиной 12,5%

Рис. 25 Длительность роста продольной трещины в обшивке фюзеляжа в пределах рассматриваемого случая коррозионного поражения

Полудлши трешнны I мм

-обитвка---подкроиенне

оэ - эксплуатационные напряжения

Рис. 26 Остаточная прочность типовой зоны фюзеляжа с трещиной при коррозионном поражении обшивки глубиной 12,5%

В результате проведенных в шестой главе исследований сделаны следующие выводы:

1. Проведенный расчет долговечности продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета с коррозионным поражением, разработанным методом оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность типовых зон конструкции планера, подтвержден проведением контрольных испытаний на усталость образцов продольного заклепочного стыка.

2. На примере алюминиевых сплавов Д16АТВ и 1163АТ показана адекватность результатов расчета длительности роста усталостной трещины с применением полученной поправочной функции на коррозию, разработанным методом оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины.

3. Совпадение расчетных и экспериментальных результатов исследований подтверждает достоверность и точность разработанных автором методов оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть зон конструкции планера ВС.

4. Разработанными методами проведен расчет долговечности зоны конструкции фюзеляжа самолета типа Ту-154 с эксплуатационным коррозионным поражением обшивки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных автором экспериментальных и расчетных исследований разработаны научно-обоснованные методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть конструкции планера ВС, совокупность которых имеет существенное значение для обеспечения и поддержания летной годности ВС по условиям прочности, эффективности и безопасности эксплуатации ВС и развития авиационной отрасли России в целом.

В представленной диссертационной работе автором получены следующие результаты:

1.На основе проведенной систематизации, статистического и металлографического анализа эксплуатационных коррозионных повреждений планера ВС:

- уточнены критические зоны конструкции планера по условиям коррозии, статистически оценены размеры коррозионных поражений и установлены характерные размеры площадей поражения коррозией поверхности различных конструктивных элементов планера;

- установлен логнормальный закон распределения глубины МКК, обнаруженной на обшивке фюзеляжа самолетов под коррозией общего вида.

2. На основании разработанной расчетной модели коррозионного поражения для оценки напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов конструкции планера ВС установлены закономерности изменения теоретического коэффициента концентрации напряжений от геометрических параметров коррозионного поражения.

3. На основе разработанной методики моделирования искусственных коррозионных дефектов установлена зависимость, которая позволяет эффективно моделировать коррозию.

4. На основании комплекса проведенных механических испытаний образцов с коррозией, изготовленных из конструкционных алюминиевых

сплавов сформулированы особенности изменения прочностных характеристик материалов при коррозионном поражении:

- коррозионное поражение оказывает статистически значимое влияние на характеристику среднего значения относительного удлинения;

- установлено, что снижение усталостной долговечности при коррозии описывается линейной зависимостью по отношению к параметру коррозионного поражения;

- установлено, что МКК значительно уменьшает усталостную долговечность по сравнению с коррозией общего вида.

5. В результате использования предложенной автором математической модели коррозионного поражения и результатов проведенных усталостных испытаний впервые установлены функциональные зависимости между теоретическим коэффициентом концентрации напряжений, эффективным коэффициентом концентрации напряжений и размерами коррозионного поражения.

6. На основе проведенных автором экспериментальных и расчетных исследований разработаны научно-обоснованные методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть конструкции планера ВС ГА, позволяющие уточнять ресурсные характеристики типовых зон конструкции с учетом коррозионных поражений:

- метод оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность, который позволяет проводить инженерную оценку усталостной долговечности пораженного коррозией элемента конструкции планера ВС и расчет допустимых размеров коррозионного поражения. На основании метода предложена методика по ранжированию коррозии на уровни по условию усталостной прочности;

- метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины для типовых зон конструкции планера, который позволяет на основе полученной автором поправочной функции учитывать влияние коррозионного поражения в задачах оценки эксплуатационной живучести конструкции планера ВС.

7. Разработанные методы использовались при продлении ресурсов и сроков службы самолетов типа Ту-154, Ан-12; при внедрении безремонтной технологии эксплуатации самолетов Ту-154М; при установлении допустимых размеров коррозионных поражений и оценке усталостной долговечности планера при проектировании и разработке эксплуатационной документации самолетов SSJ-100.

Основные результаты диссертации содержатся в 42 печатных научных работах, которые перечислены ниже:

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

диссертаций

1. Лапаев, A.B. Статистический анализ коррозионных повреждений планера самолетов типа ТУ-154Б / A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2002. — №53. — С. 22-26.

2. Волчек, В.А. Оценка технического состояния планера самолетов типа Ту-154Б при продлении ресурса / В.А. Волчек, А.П.Зубарев, A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2002, —№53. —С. 27-31.

3. Лапаев, A.B. Результаты исследования напряженно-деформированного состояния и оценки долговечности для двустороннего и одностороннего дефекта / Лапаев A.B., Шапкин B.C. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2002. — №53. — С. 32-34.

4. Волчек, В.А. Исследование коррозионных поражений, обнаруженных при формах технического обслуживания на конструктивных элементах планера самолетов ИЛ-86 / В.А. Волчек, A.B. Лапаев, И.В. Сахин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2003. — №60. — С. 94-97.

5. Лапаев, A.B. Некоторые вопросы оценки предельных состояний элементов авиаконструкций с коррозионными повреждениями / A.B. Лапаев, И.В. Сахин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2003. — №60. —С. 89-93.

6. Лапаев, A.B. Статистический анализ результатов металлографического исследования обшивки конструкции фюзеляжа самолетов ИЛ-86 / A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность.

— 2004,—№173(2). —С. 103-105.

7. Лапаев, A.B. Оценка влияния межкристаллитной коррозии на долговечность образцов из обшивки самолетов ИЛ-86 / A.B. Лапаев, И.В. Сахин, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2004. —№173(2). — С. 100-102.

8. Волчек, В.А. Разработка базы данных для обобщения результатов сертификации экземпляров воздушных судов / В.А. Волчек, A.B. Лапаев, И.В. Сахин, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2005. — №84. — С. 60-63.

9. Волчек, В.А. Анализ развития коррозионных поражений в эксплуатации самолетов Ип-86 / В.А. Волчек, A.B. Лапаев // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2006. —№103. — С. 187-189.

10. Лапаев, A.B. Анализ современных подходов к оценке прочностных характеристик элементов конструкций воздушных судов с эксплуатационными коррозионными поражениями / A.B. Лапаев // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2006. — №103. — С. 190-193.

11. Волчек, В.А. Исследование коррозионных поражений элементов авиационных конструкций самолетов Ту-154, Ил-86 / В.А. Волчек, A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность.

— 2006. — №100. — С. 25-28.

12. Акопян, К.Э. Анализ коррозионного состояния самолетов Ту-154М ОАО авиакомпании «Аэрофлот-РАЛ» по данным материалов технического обслуживания в объёме формы «2» / К.Э. Акопян, A.B. Лапаев, В.А. Семин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2007. — №119, —С. 24-29.

13. Зубарев, А.П. Использование обобщенного параметра коррозионного поражения для оценки долговечности элементов конструкций с коррозионными

поражениями / А.П. Зубарев, A.B. Лапаев, В.П. Лапаев // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2007. — №119. — С. 30-32.

14. Гришин, А.Н. Концепция определения уровня коррозионного повреждения листового конструкционного материала на основе расчетно-экспериментальной оценки допустимых размеров коррозионного поражения / А.Н. Гришин, A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2008, —№130. —С. 14-20.

15. Акопян, К.Э. Оценка влияния значений параметров, характеризующих коррозионное поражение листового конструкционного материала на его долговечность / К.Э. Акопян, В.М. Банков, C.B. Бутушин, A.C. Ковалевский, A.B. Лапаев // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность.

— 2008. —№130. — С. 21-25.

16. Лапаев, A.B. Оценка долговечности и предельного состояния элементов конструкции с коррозионными поражениями из сплава марки 1163АТВ /

A.B. Лапаев // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность.

— 2008. — №130. — С. 119-122.

17. Лапаев, A.B. Применение MSG-3 для зонного анализа конструкции пассажирского самолета по условию коррозионного поражения на стадии проектирования / A.B. Лапаев, О.В. Митрофанов // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2009. — №141. — С. 93-98.

18. Акопян, К.Э. Исследование усталостной долговечности фрагмента конструкции фюзеляжа самолета типа Ту-154 с коррозионным повреждением / К.Э. Акопян, В.М. Байков, А.Н. Гришин, A.C. Ковалевский, A.B. Лапаев,

B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность.

— 2010. — №153(3) — С. 37-43.

19. Байков, В.М. Практические результаты экспериментальных исследований характеристик долговечности элементов конструкций из материала Д16АТВ в разных исходных состояниях / В.М. Байков, A.C. Ковалевский, В.В. Каширин, A.B. Лапаев, Ю.М. Фейгенбаум, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2010. — №153(3) — С. 44-51.

20. Байков, В.М. Исследование характеристик усталостной долговечности и трещиностойкости при коррозионном поражении алюминиевого сплава 1163, применяемого в конструкциях современных самолетов / В.М. Байков, A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2011. — №163(1) — С. 110-116.

21. Лапаев, A.B. Применение информационно-аналитической базы данных для анализа технического состояния конструкции планера транспортных самолетов / A.B. Лапаев, A.B. Семин, B.C. Шапкин // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2012. — №175 — С. 7-12.

22. Лапаев, A.B. Методика оценки усталостной долговечности материала при коррозионном поражении и учета влияния коррозии при расчете длительности роста усталостной трещины / A.B. Лапаев // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. — 2013. — №187(1) — С. 74-82.

Научные публикации в других изданиях Монография

23. Акопян, К.Э. Теория и практика оценки коррозионных повреждений элементов конструкции планера воздушных судов / К.Э. Акопян, C.B. Бутушин,

А.H. Гришин, A.B. Лапаев, A.B. Семин, B.C. Шапкин; под ред. B.C. Шапкина, C.B. Бутушина. — М. : ЗАО «НЦ ПЛГ ВС ГосНИИ ГА», 2010. — 288 с.

24. Лапаев, A.B. Оценка влияния коррозионного поражения на статическую прочность конструкции / A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 30-летию со дня основания университета МГТУ ГА 31 мая 2001 г. — М. : МГТУ ГА, 2001.

— С. 14-15.

25. Лапаев, A.B. Коррозионное поражение, как один из опасных дефектов транспортных конструкций / A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Региональной научно-практической конференции СГУПС 27-29 ноября 2002 г.

— Н. : СГУПС, 2002. — С. 209-210.

26. Лапаев, A.B. Оценка влияния коррозионных поражений на долговечность образцов из сплава Д16АТ / A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Региональной научно-практической конференции СГУПС 27-29 ноября 2002 г.

— Н. : СГУПС, 2002. — С. 208-209.

27. Лапаев, A.B. Расчетная оценка концентрации напряжений от коррозионного дефекта / A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Региональной научно-практической конференции СГУПС 27-29 ноября 2002 г. — Н. : СГУПС, 2002.

— С. 208.

28. Волчек, В.А. Анализ коррозионных поражений, выявленных при техническом обслуживании самолетов ТУ-154М и ИЛ-86 / В.А. Волчек,

A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва МГТУ ГА, 17-18 апреля 2003 г.

— М. : МГТУ ГА, 2003. — С. 55.

29. Денисов, С.Б. Оценка долговечности элементов конструкции с коррозионными повреждениями расчетно-экспериментальным методом / С.Б. Денисов, A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва МГТУ ГА, 17-18 апреля 2003 г.

— М. : МГТУ ГА, 2003. — С. 59-60.

30. Волчек, В.А. Исследование долговечности элементов конструкции самолетов Ту-154М с эксплуатационными коррозионными поражениями / В.А. Волчек, A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва МГТУ ГА, 17-18 апреля 2003 г.

— М. : МГТУ ГА, 2003. — С. 60-61.

31. Волчек, В.А. Исследование коррозионных поражений элементов авиационных конструкций самолетов Ту-154, Ил-86 / В.А. Волчек, A.B. Лапаев,

B.C. Шапкин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 35-летию со дня основания Университета "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва, МГТУ ГА, 18-19 мая 2006 г. — М. : МГТУ ГА, 2006. — С. 80.

32. Лапаев, A.B. Анализ и обобщение результатов исследования долговечности элементов конструкций самолетов, пораженных коррозией / A.B. Лапаев //

Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 35-летию со дня основания Университета "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва, МГТУ ГА, 18-19 мая 2006 г. — М.: МГТУ ГА, 2006. — С. 80-81.

33. Лапаев, A.B. Практические основы зонного анализа конструкции пассажирских самолётов по условию коррозионного поражения / A.B. Лапаев, О.В. Митрофанов // Аэродинамика и прочность конструкций летательных аппаратов. Труды Всероссийской научно-технической конференции по аэродинамике летательных аппаратов и прочности авиационных конструкций (17-19 июня 2008 г.) под ред. д.т.н. А.Н. Серьёзнова и д.т.н. В.К. Белова. — Новосибирск: СибНИА, 2009. — 292 с.: ил. — С. 168-171.

34. Лапаев, A.B. Основы стратегии ранжирования коррозионных поражений воздушных судов гражданской авиации в соответствии с требованиями ИКАО / A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Аэродинамика и прочность конструкций летательных аппаратов. Труды Всероссийской научно-технической конференции по аэродинамике летательных аппаратов и прочности авиационных конструкций (17-19 июня 2008 г.) под ред. д.т.н. А.Н. Серьёзнова и д.т.н. В.К. Белова. — Новосибирск : СибНИА, 2009. — 292 с.: ил. — С. 171173.

35. Лапаев, A.B. Применение результатов теоретических расчетов и механических испытаний лабораторных образцов для разработки метода ранжирования коррозионных поражений и оценки живучести конструкции ВС / A.B. Лапаев // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва МГТУ ГА, 26 мая 2011 г. — М.: МГТУ ГА, 2011. — С. 123.

36. Байков, В.М. Результаты исследования характеристик статической прочности, усталостной долговечности и трещиностойкости при коррозионном поражении алюминиевого сплава 1163, применяемого в конструкциях современных самолетов / В.М. Байков, A.C. Ковалевский, A.B. Лапаев, В.П. Лапаев, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва МГТУ ГА, 26 мая 2011 г. — М.: МГТУ ГА, 2011. — С. 26.

37. Байков, В.М. Экспериментальные исследования характеристик усталостной долговечности фрагмента конструкции фюзеляжа самолета типа ТУ-154, выполненного из материала Д16АТВ и стандартных образцов в различных исходных состояниях / В.М. Байков, A.C. Ковалевский, В.В. Каширин, A.B. Лапаев, Ю.М. Фейгенбаум, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва МГТУ ГА, 26 мая 2011 г. — М. : МГТУ ГА, 2011. —С. 27.

38. Акопян, К.Э. Расчет длительности роста усталостной трещины в конструкции фюзеляжа транспортного самолета при коррозионном поражении / К.Э. Акопян, A.B. Лапаев, B.C. Шапкин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ

ГА "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва МГТУ ГА, 26 мая 2011 г. — М.: МГТУ ГА, 2011. — С. 25.

39. Лапаев, A.B. Информационно аналитическая база данных для системного анализа технического состояния элементов конструкции ВС / A.B. Лапаев, A.B. Семин, B.C. Шапкин // Аэродинамика и прочность конструкций летательных аппаратов. Труды Всероссийской юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летию со дня основания СибНИА (20-21 сентября 2011 г.) под ред. д.т.н. А.Н. Серьёзнова и д.т.н. В.К. Белова. — Новосибирск: СибНИА, 2011. — С. 335-338.

40. Лапаев, A.B. Практические методы поддержания летной годности воздушных судов при коррозионном поражении / A.B. Лапаев // Гражданская авиация XXI век: сборник материалов IV Международной молодежной научной конференции 12-13 апреля 2012 г. под общ. ред. Н.У. Ушакова. — Ульяновск : УВАУ ГА(И), 2012. — С. 42-43.

41. Лапаев, A.B. Мониторинг технического состояния конструкции транспортных самолетов / A.B. Лапаев, A.B. Семин, B.C. Шапкин // Международная конференция "Живучесть и конструкционное материаловедение": Труды конференции. Том I, (Москва 22-24 октября 2012 года). М : Изд-во ИМАШ РАН 2012. — С. 158-162.

42. Лапаев, A.B. К вопросу оценки влияния коррозионных поражений на прочностные характеристики элементов авиационных конструкций / A.B. Лапаев // Сборник тезисов докладов участников Международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию гражданской авиации "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва МГТУ ГА, 24 апреля 2013 г. — М. : МГТУ ГА, 2013. — С. 20.

Соискатель

Подписано в печать: 05.09.2013 Тираж: 120 экз. Заказ №967 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495) 790-47-77 www.reglet.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

На правах рукописи

05201352033

ЛАПАЕВ АРТЕМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ КОРРОЗИОННЫХ ПОРАЖЕНИЙ ПЛАНЕРА НА ЛЕТНУЮ ГОДНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Специальность 05.22.14 «Эксплуатация воздушного транспорта»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -Заслуженный работник транспорта РФ Доктор технических наук, профессор Шапкин Василий Сергеевич

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень сокращений и обозначений................................................ 6

Введение..................................................................................... 8

1 Обзор нормативных документов, научно-технических достижений, исследований и методических рекомендаций, касающихся проблемы коррозионного поражения элементов конструкции планера ВС.............................................................................. 19

1.1 Основные положения системы поддержания летной годности ВС.... 19

1.1.1 Авиационные происшествия по причине коррозионных поражений конструкции планера ВС........................................................... 19

1.1.2 Требования ИКАО к системе поддержания летной годности ВС.. 21

1.2 Основные принципы обеспечения безопасности конструкции планера по условиям усталостной прочности при коррозионном поражении......................................................................................................... 26

1.3 Обзор работ и мероприятий по оценке коррозионного состояния

ВС....................................................................................................................... 32

1.4 Обзор методов и результатов исследований по определению прочностных характеристик элементов конструкции планера ВС с коррозионными повреждениями..................................................................... 38

1.5 Классификация процессов коррозии и обзор коррозионных поражений элементов конструкции ВС......................................................... 44

1.5.1 Классификация процессов коррозии................................................. 44

1.5.2 Признаки наличия коррозии на конструкционных материалах...... 49

1.5.3 Условия возникновения и развития коррозии на элементах конструкции ВС............................................................................................. 50

1.6 Основные направления исследований в задачах обеспечения, поддержания и оценки летной годности конструкции планера ВС по

условиям безопасности от коррозии.............................................................. 52

Выводы по главе 1........................................................................................... 57

2 Анализ коррозионных повреиодений конструкции планера ВС в целях обеспечения её безопасной эксплуатации по условиям прочности......................................................................................................... 58

2.1 Вводные замечания.................................................................................. 58

2.2 Систематизация и анализ сведений о коррозионных повреждениях транспортных самолетов................................................................................. 60

2.2.1 Систематизация и анализ сведений о коррозионных повреждениях планера самолетов типа Ту-154.......................................... 62

2.2.2 Систематизация и анализ сведений о коррозионных повреждениях планера самолетов Ил-86..................................................... 70

2.2.3 Систематизация и анализ сведений о коррозионных повреждениях планера самолетов Ан-12..................................................... 73

2.3 Статистический анализ коррозионных повреждений планера самолетов типа ТУ-154.................................................................................... 75

2.4 Статистический анализ глубины межкристаллитной коррозии по результатам металлографических исследований.......................................... 86

2.5 Прогнозирование критических по условию коррозионного

поражения зон конструкции планера самолета SSJ-100.............................. 90

Выводы по главе 2............................................................................................ 94

3 Разработка математической расчетной модели для оценки напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов конструкции планера ВС в зависимости от геометрии коррозионного повреждения........................................................................ 96

3.1 Вводные замечания.................................................................................. 96

3.2 Оценка концентрации напряжений для геометрических моделей коррозионного поражения............................................................................ 102

3.2.1 Оценка сходимости расчета методом конечных элементов для выбора оптимального числа конечных элементов................................... 103

3.2.2 Сравнение поля концентрации напряжений для моделей коррозионного поражения.......................................................................... 104

3.3 Уточнение напряженного состояния в зоне геометрической модели коррозионного дефекта............................................................................ 107

3.3.1 Уточнение напряженного состояния в зоне геометрической модели коррозионного дефекта, образованной поверхностью эллипсоида вращения.................................................................................. 108

3.3.2 Уточнение напряженного состояния в зоне геометрической модели коррозионного дефекта, образованной поверхностью трехосного эллипсоида............................................................................... 113

Выводы по главе 3........................................................................................... 115

4 Экспериментальная оценка характеристик статической-прочности, усталостной долговбчности и трещиностойкости авиационных алюминиевых сплавов серии Д16 и 1163 при коррозионном поражении............................................................................. 116

4.1 Вводные замечания.................................................................................. 116

4.2 Общие положения, изготовление и подготовка образцов для проведения испытаний по определению механических характеристик, усталостной долговечности и трещиностойкости конструкционных алюминиевых сплавов серии Д16 и 1163 при коррозионном

поражении......................................................................................................... 118

4.2.1 Образцы для испытаний на определение характеристик статической прочности материала............................................................... 118

4.2.2 Образцы для испытаний на определение характеристик сопротивления усталости.............................................................................. 120

4.2.3 Образцы для испытаний на определение характеристик трещиностойкости......................................................................................... 122

4.2.4 Разработка методики нанесения искусственных коррозионных дефектов.......................................................................................................... 123

4.2.5 Металлографические исследования шлифов.................................... 127

4.2.6 Оборудование для механических испытаний образцов.................. 128

4.3 Экспериментальная оценка влияния коррозионных поражений на характеристики статической прочности алюминиевых сплавов серии

Д16 и 1163, применяемых в конструкции ВС............................................... 129

4.3.1 Методика обработки результатов испытаний на определение характеристик статической прочности........................................................ 129

4.3.2 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки Д16АТВ.................................................... 130

4.3.3 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из конструкционных алюминиевых сплавов серии 1163 131

4.3.3.1 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки 1163 АТВ................................................ 131

4.3.3.2 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки 1163АТ................................................... 133

4.3.3.3 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки 1163РДТВ.............................................. 133

4.4 Экспериментальная оценка влияния коррозионных поражений на усталостную долговечность алюминиевых сплавов серии Д16 и 1163, применяемых в конструкции ВС.................................................................... 134

4.4.1 Методика обработки результатов испытаний на усталость............ 134

4.4.2 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из конструкционных алюминиевых сплавов серии 1163 137

4.4.2.1 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из сплава марки 1163 АТ................................................... 137

4.4.2.2 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из сплава марки 1163АТВ................................................ 139

4.4.2.3 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из сплава марки 1163 Т...................................................... 141

4.4.3 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из конструкционного алюминиевого сплава Д16 АТВ.... 143

4.4.4 Экспериментальная оценка влияния коррозионных поражений на усталостную долговечность продольного заклепочного стыка фюзеляжной панели планера самолета типа Ту-154.................................. 154

4.4.5 Экспериментальная оценка усталостной долговечности обшивки фюзеляжа самолета Ил-86, поврежденной

межкристаллитной коррозией.................................................................... 161

4.5 Экспериментальная оценка влияния коррозионных поражений на характеристики трещиностойкости алюминиевых сплавов серии Д16 и

1163, применяемых в конструкции ВС.......................................................... 166

4.5.1 Методика обработки результатов испытаний на трещиностойкость.......................................................................................... 166

4.5.2 Анализ результатов испытаний образцов на трещиностойкость, изготовленных из сплава марки 1163АТ и расчетно-экспериментальная оценка характеристик трещиностойкости при коррозионном поражении............................................................................. 170

4.5.3 Анализ результатов испытаний образцов на трещиностойкость, изготовленных из сплава марки Д16АТВ и расчетно-экспериментальная оценка характеристик трещиностойкости трещиностойкости при коррозионном поражении..................................... 175

Выводы по главе 4........................................................................................... 181

5 Расчетно-экспериментальные методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть конструкции планера ВС ГА....................................................................... 184

5.1 Метод оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и расчета допустимых размеров коррозионного поражения

для типовых зон конструкции планера.......................................................... 186

5.2 Методика ранжирования уровня коррозии по условию усталостной прочности.................................................................................................... 193

5.3 Метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость

роста усталостной трещины для типовых зон конструкции планера......... 196

Выводы по главе 5............................................................................................ 203

6 Оценка влияния коррозионного поражения на усталостную прочность типовой зоны конструкции планера ВС................................ 205

6.1 Расчетно-экспериментальная оценка характеристик трещиностойкости при коррозионном поражении разработанным методом............................................................................................................. 205

6.2 Сравнение расчетной и экспериментальной оценок усталостной долговечности продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 с коррозионным повреждением................................ 209

6.3 Расчет долговечности зоны конструкции фюзеляжа с эксплуатационным коррозионным поражением на примере самолета

типа Ту-154....................................................................................................... 220

6.4 Формирование информационно-справочной системы для решения задач поддержания и оценки летной годности ВС по условиям

усталостной прочности.................................................................................... 226

Выводы по главе 6........................................................................................... 230

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................ 231

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................... 234

ПРИЛОЖЕНИЕ 1............................................................................................. 250

ПРИЛОЖЕНИЕ 2............................................................................................. 267

ПРИЛОЖЕНИЕ 3............................................................................................. 280

ПРИЛОЖЕНИЕ 4............................................................................................. 294

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АП - Авиационные правила

Авиационный регистр Межгосударственного

АР МАК авиационного комитета

AT - Авиационная техника

БД - База данных

ВСУ — Вспомогательная силовая установка

ВС - Воздушное судно

ГА — Гражданская авиация

^^^ - Международная Организация Гражданской Авиации

ИСС - Информационно-справочная система

ИТП - Инженерно-технический персонал

_ Исходные требования к плановому техническому

ИТПТО обслуживанию

КБ - Конструкторское бюро

КВЭ (SSI) - Конструктивно-важный элемент

КДУР - Кинетическая диаграмма усталостного разрушения

КИН - Коэффициент интенсивности напряжений

КИИГА - Киевский институт инженеров гражданской авиации

JIA - Летательный аппарат

ЛКП - Лакокрасочное покрытие

МКК - Межкристаллитная коррозия

МКЭ - Метод конечных элементов

МНК CNDI) - Методы неразрушающего контроля (Non Destructive Inspection)

МОС - Методы определения соответствия

НДС - Напряженно-деформированное состояние

НИИ - Научно-исследовательский институт

НТД - Нормативно-техническая документация

ОКБ - Опытно-конструкторское бюро

ОСЭ - Основной силовой элемент

ПКПК _ Программа контроля и предупреждения коррозии

(СРСР) (Corrosion prevention and control program)

ПКС - Паспорт коррозионного состояния

ПЛГ - Поддержание летной годности

ППР - После последнего ремонта

РРК - Руководство по ремонту конструкции

РСК - Расслаивающая коррозия

РТО - Регламент по техническому обслуживанию

РТЭ - Руководство по технической эксплуатации

РУТ - Рост усталостной трещины

СКО - Среднеквадратическое отклонение

СНЭ - С начала эксплуатации

СУБД - Система управления базой данных

СУ - Силовая установка

СЧК - Средняя часть крыла

ТО - Техническое обслуживание

ТОиР - Техническое обслуживание и ремонт

ТЗИ - Тепло-звукоизоляции

ФАП - Федеральные авиационные правила

ФГУП - Федеральное государственное унитарное предприятие

ФС - Функциональная система

ЭКП - Элемент конструкции планера

ЭПЭП - Электронный паспорт эксплуатационных повреждений

ЭТД - Эксплуатационно-техническая документация

AD - Accidental damage (Случайное повреждение)

Enviromental deterioretion (Повреждения от воздействия окружающей среды)

FD - Fatigue damage (Усталостное повреждение)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одним из важных факторов, оказывающих влияние на прочность и долговечность технических конструкций в эксплуатации, является коррозия металлов и их сплавов. Коррозия является причиной отказов, поломок и разрушений технических конструкций, в результате чего экономические и технические потери достигают значительных объемов. В связи с этим большие материальные средства расходуются на осуществление комплекса мероприятий по борьбе с коррозией, профилактическое обслуживание, ремонт и замену отдельных деталей. Прогнозирование и уточнение прочностных характеристик конструкций при коррозионном поражении на основе расчетно-экспериментальных методов, формирование справочных данных о влиянии коррозии на физико-механические характеристики конструкционных материалов являются необходимыми задачами в решении данной проблемы.

Диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической задачи оценки летной годности планера воздушных судов (ВС) при коррозионном поражении. Обязательным условием обеспечения летной годности ВС является выполнение требований норм летной годности по условиям статической и усталостной прочности конструкции планера ВС при случайных повреждениях, усталостных повреждениях и повреждениях вследствие коррозии. В настоящее время для оценки влияния случайных и усталостных повреждений на прочность конструкции разработаны приемлемые методы, основанные на результатах фундаментальных исследований в области сопротивления материалов, механики разрушения и теории упругости твердого тела. Для случаев коррозионного поражения также необходимы расчетные методы, позволяющие обосновать предельно допустимые размеры коррозии элементов конструкции планера, учесть влияние коррозионных поражений на усталость и живучесть конструкции.

Наиболее остро проблема коррозии планера возникает для ВС, эксплуатируемых длительное время. Эти ВС по общепринятой международной классификации относятся к "стареющим" ВС. В настоящее

время к самолетам, которые превысили свои проектные ресурсы и сроки службы, относятся Ан-12, Ан-26, Ан-24, Ан-124, Ан-30, Ту-154М, Ту-134А, Ил-76, Ил-18, Як-40 и зарубежные - Боинг 707, Боинг 737-200, Боинг 747200, DC-9, DC-8. Высокая стоимость новых ВС определяет экономическую целесообразность эксплуатации самолетов старых модификаций, таким образом, проблема оценки влияния коррозионных повреждений на прочностные характеристики планера ВС является весьма актуальной. Важность рассматриваемой проблемы отражена в документах Международной Организации Гражданской Авиации (ИКАО), Федеральных авиационных правилах (ФАЛ), нормах летной годности. В условиях постоянного повышения конкуренции в области самолетостроения с учетом требований к увеличению показателей эффективности эксплуатации ВС, результаты диссертационной работы имеют большое хозяйственное значение.

Проблема оценки влияния коррозионных поражений планера ВС на летную годность относится к достаточно сложной научно-технической задаче, для решения которо