автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальная оценка несущей способности многослойных композиционных конструкций летательных аппаратов с учетом внутренних дефектов, определенных компьютерным томографом

На правах рукописи

Бугаков Игорь Сергеевич

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С УЧЕТОМ ВНУТРЕННИХ ДЕФЕКТОВ, ОПРЕДЕЛЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫМ

ТОМОГРАФОМ

05.07.03 - Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2006

Диссертация выполнена в ОАО «Казанский вертолетный завод»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Митряйкин Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Каюмов Рашит Абдулхакович; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бирюк Виктор Илларионович

Ведущая организация: ОАО «Московский вертолетный завод им. M.JI. Миля»

Защита состоится «27» июня 2006 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.079.05 при Казанском государственном техническом университете имени А.Н. Туполева, по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10, (E-mail: kai@kstu-kai.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета имени А.Н. Туполева.

Автореферат разослан «24» мая 2006 г.

Ученый секретарь •

диссертационного совета С^А Снигирев В.Ф.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Передовая современная техника характеризуется во всем мире постоянным ростом объемов использования полимерных композиционных материалов (ПКМ), позволяющих разработчикам достигать более совершенных технических и экономических характеристик. Эта тенденция характерна и для вертолетов, производимых на ОАО «Казанский вертолетный завод», например, у вертолета АНСАТ из ПКМ изготавливаются лопасти несущего и рулевого винтов, втулка несущего винта, вертикальное оперение, фонарь кабины пилотов, носовой обтекатель, обтекатель хвостовой балки, капоты редукторного отсека. В основе создания таких конструкций лежит метод достижения заранее заданных свойств путем формирования оптимальной (применительно к условиям эксплуатации) пространственной структуры изделий из специально подобранных исходных материалов и структурных элементов. Эффективность этого приема в решающей степени зависит от способности используемого технологического процесса воспроизводить с необходимой точностью требуемую объемную структуру в каждом изготавливаемом изделии.

Существующая технология не гарантирует отсутствия в изделиях тех или иных дефектов, снижающих качество продукции. Дефекты структуры композита, такие как трещины, воздушные раковины, свищи, отслоения волокон от матрицы, посторонние включения и т.д., существенно ослабляют его прочность. Большинство ПКМ подвержены старению, т.е. их свойства меняются под действием эксплуатационных нагрузок и климатических факторов. В зависимости от размеров, характера и расположения этих дефектов, а также назначения и условий работы детали и узла дефекты могут быть допустимыми или недопустимыми. Вопрос о том, какие дефекты допустимы в данном узле или детали, решается конструктором совместно со службой прочности. Отметим, что проблема выбора критериев браковки весьма сложна. Для ее оптимального решения необходимы сложные расчеты, натурные испытания изделий с различными дефектами, обобщение результатов эксплуатации и т.п. При этом следует учитывать реальные возможности средств неразрушающего контроля, имеющихся на предприятии.

Появление многослойных конструкций потребовало разработки новых эффективных методов и средств их неразрушающего контроля. Одним из современных методов неразрушающего контроля композиционных конструкций является компьютерная томография (КТ), которая объединяет информативные достоинства рентгеновского излучения с последними достижениями науки и вычислительной техники, но ее применение для диагностики композиционных деталей находится на стадии разработки.

Целью работы является: разработка методологии неразрушающего контроля композиционных деталей с использованием компьютерного томографа и расчетно-экспериментальной методики оценки напряженно-деформированного состояния многослойных конструкций с учетом внутренних дефектов.

. Научная новизна заключается в разработке расчетно-экспериментальной методики оценки несущей способности многослойных композиционных конструкций летательных аппаратов с учетом внутренних дефектов, основанной на методе конечных элементов (МКЭ).

Практическая ценность диссертации заключается .в-применении нового метода неразрушающего контроля — компьютерной томографии, в разработке численной методики расчета напряженно — деформированного состояния многослойных конструкций с учетом внутренних дефектов. С помощью разработанной методики и программ проведена оценка несущей способности реальных конструкций и даны конкретные рекомендации их разработчикам.

Внедрение. Результаты диссертационной работы по применению КТ для диагностики несущих систем вертолета и методики оценки несущей способности многослойных композиционных конструкций с учетом дефектов внедрены в конструкторском бюро ОАО «Казанский вертолетный завод» при проектировании и изготовлении элементов для вертолетов АНСАТ и АКТАЙ.

Разработанные методики и созданные комплексы программ для ПЭВМ используются в расчетной практике заинтересованных организаций при создании новых изделий авиационной техники.

Достоверность основных научных результатов и выводов обеспечивается корректностью применения хорошо апробированных законов , и моделей механики деформируемых твердых тел, строгих математических методик обработки результатов и численных методов решения задач, согласованностью полученных результатов теоретических расчетов с результатами экспериментальных данных и известными результатами, полученными другими авторами.

• - Апробация работы. Основные результаты докладывались и получили одобрение на 27 Европейском вертолетном форуме, г. Москва (2001г.); на Международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», г. Москва (2003, 2004, 2006 г.г.); на VI, VII Форумах Российского вертолетного общества, г. Москва (2004, 2006 г.г.); на Межвузовских конференциях «Математическое моделирование и краевые задачи», г. Самара (2003, 2005 г.г.); на Международной научной конференции «Актуальные проблемы математики и механики», г. Казань (2004г.); на Межвузовской конференции «Нелинейная динамика механических и биологических систем», г. Саратов (2004 г.); на Российской научно - технической конференции «Научно — технические проблемы приборостроения и машиностроения», г. Томск (2004 г.); на 4-й Московской

международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов», г. Москва (2005 г.), на 4-й Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2005», г. Москва (2005 г.); на Международной научно -технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин», г. Пенза (2005 г.); на 15, 16, 17 Всероссийских конференциях «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, приборы и методы контроля», г. Казань (2002, 2003, 2004, 2006 г.г.), на научно -технических семинарах Казанского ВАКУ (2006 г.), Казанского государственного технического университета (2006 г.), ОАО «Казанский вертолетный завод» (2006 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы автором опубликовано 18 печатных работ, зарегистрированы патенты, на промышленный .образец и полезную модель, получено 8 авторских свидетельств.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 171 страницу машинописного текста, в том числе 21 таблица, 96 рисунков и библиографический список, включающий 103 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении дан анализ современного состояния исследований по теме диссертации, обосновывается актуальность и важность рассматриваемых в диссертации вопросов, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту, излагается краткое содержание работы по главам.

В первой главе с целью создания математической модели расчета на прочность втулки НВ проанализирована ее конструктивно-технологическая схема. Втулка спроектирована по бесшарнирному типу с двумя упругими торсионами, выполняющими роль вертикального, горизонтального и осевого шарниров, Торсион имеет три участка: комлевый, упругий (торсионный) и концевой (рис.1). Комлевый участок имеет отверстия для крепления к валу редуктора, к концевому участку крепятся переходники лопасти. Упруго-деформируемый участок состоит из чередующихся слоев пластика и резины, опрессованых совместно. Для уменьшения жесткости на кручение имеются профильные прорези.

Стабильность качества втулки НВ существенно повышает безопасность и эксплуатационные характеристики вертолета. На всех этапах технологического процесса предусмотрены операции контроля качества. Контролируются характеристики исходных материалов. В процессе окончательной опрессовки происходит непрерывная запись величин давления и температуры. В конструкции предусмотрен технологический припуск, из которого вырезаются «образцы-свидетели» для испытания на процентное содержание связующего, на предел прочности при межслойном сдвиге, при сдвиге по резине, по изгибу. Косвенным контролем внутренних

дефектов являются контрольные замеры изгибной (в двух плоскостях) и крутильной жесткостей каждого рукава упругой балки путем измерения изгибов от сил и углов закручивания от моментов, прикладываемых на концах рукавов. Замеренные прогибы и углы закручивания сравниваются с расчетными.

Рис.1. Общий вид торсиона НВ

Результаты замеров, полученные при исследовании девяти втулок на этапе отработке технологии, показали, что у отдельных образцов они значительно отличаются от расчетных. Это связано как с внутренними дефектами, так и с отклонениями механических свойств элементов, входящих в конструкцию, но средства неразрушающего контроля для таких конструкций до настоящего времени отсутствовали.

Во второй главе проведена оценка технических возможностей компьютерного томографа для диагностики композиционных конструкций. Компьютерная томография — это метод получения изображения внутренней структуры объекта путем достаточно сложных вычислительных процедур при анализе первичных данных, получаемых посредством измерения поглощения рентгеновского излучения объектом исследования.

Процесс получения изображения в КТ содержит три основных этапа (измерение, реконструкцию и визуализацию). На этапе измерения с помощью узкого коллимированного пучка рентгеновского излучения от излучателя, расположенного ло одну сторону объекта, и высокочувствительной системы детекторов, находящейся по другую сторону и воспринимающей ослабленное (вследствие поглощения объектом) рентгеновское излучение, изменяя угол обзора или ракурс, получают множество проекций или профилей тонкого слоя исследуемого объекта (рис.2). Интенсивность воспринимаемого детекторами рентгеновского излучения соответствует интегральному (суммарному) линейному ослаблению по направлению излучатель - детектор, что соответствует свойствам материала. На этапе реконструкции, по множеству полученных измерительной системой проекций, с помощью быстродействующих процессоров, вычисляются

значения коэффициентов ослабления для каждого элементарного объема слоя объекта. Полученные коэффициенты ослабления в последующем высвечиваются на дисплее, создавая изображение слоя толщиной 1мм. Помимо монохромного и цветного изображения исследуемого сечения или его отдельных участков предусмотрены многочисленные возможности интерактивной обработки результатов контроля, включая измерение размеров внутренней геометрии, размеров деталей и дефектов; мультипланарную реконструкцию изображения во фронтальной и боковых плоскостях, ЗО-реконструкцию объекта исследования; определение коэффициентов ослабления вдоль выбранного направления среза или для отдельной зоны и статистическую обработку этих замеров.

Рис.2. Компьютерный томограф

Компьютерная томография использовалась в Eurocopter Deutschland в системе контроля качества композиционных лопастей винтов ВОЮ5, ВК117 и ЕС135. Опыт ее применения показал, что по чувствительности к локальным дефектам, малым отклонениям геометрии и плотности внутри изделий со сложной внутренней структурой она превосходит возможности традиционных средств неразрушающего контроля. Отечественные ученые Вайнберг Э.И., Ведмин В.Е., Клюев В.В. и др. с помощью вычислительных томографов серии ВТ в толстостенных композитах количественно проконтролировали распределение плотности, осуществили геометрический контроль структуры пространственного армирования, выявили дефекты, возникающие на разных стадиях изготовления.

Самым технологичным в настоящее время является процесс объемного (спирального) сканирования, который реализован в медицинских томографах, при котором происходит практически полное исключение пропусков срезов. Плотность костных тканей примерно соответствует стеклопластику, поэтому томографы этого класса могут быть использованы для исследования композиционных деталей, что подтверждают результаты исследований автора, приведенные в главе 3.

В третьей главе приведены результаты исследования на KT втулок HB. Первоначально исследовалась втулка, разрушенная при усталостных испытаниях. Дефектная область втулки, с расположением и нумерацией

исследуемых сечений показана на рис.3 (расстояние между сечениями 10 мм). Компьютерные изображения исследуемых сечений с обнаруженными дефектами приведены на рис. 4. В сечениях 1,11 более плотные материалы имеют светлый цвет, менее плотные - более затемненные, для остальных сечений изображение приведено в негативе. Степень зачерненности соответствует значению коэффициента ослабления. В сечении 1, справа от отверстия, видно отслоение пакета, причем у края торсиона оно идет не параллельно листам пакета, имеется скол. В следующем И сечении, имеющем слои резины (толщиной 0,56 мм) видно, что отслоение пакета прошло от верхнего слоя резины. В этом сечении видны еще две вертикальные трещины, причем если трещина справа от отверстия почти вертикально опускается вниз, то трещина слева от отверстия — под углом 45°. Отслоение пакета не пересекает правую трещину, что говорит о том, что первоначально появилась трещина, а затем произошло отслоение верхнего пакета. Характер дефектов в сечениях 21, 31 остается почти таким же, за исключением того, что обнаружено отслоение внутренних пакетов. Сечение 41 уже сплошное, трещина, идущая слева от отверстия уже не видна, а та, что справа, опустилась еще глубже. Величина отслоения верхнего пакета в этом сечении увеличена. Хорошо видно отслоение в середине сечения, которое соединяет средние слои резины. Сечение 81 рассекает ручьи торсиона в зоне растрескивания верхнего пакета ручья, где видно, что верхний пакет правого ручья полностью разрушен.

В технике КТ принято измерять коэффициент ослабления не в абсолютных, а . в относительных, нормированных по отношению к ослаблению воды единицах, называемых числами Хаунсфилда (ед.Н). В этой системе отсчета коэффициент ослабления воды равен 0 ед.Н, воздуха - -1 ООО ед.Н.

Значения коэффициента ослабления вдоль линии, пересекающей слои пластика и резины, приведены на рис. 5. Коэффициент ослабления стеклопластика =1000-1100 ед.Н, резины - 850-900 ед.Н. Результаты этих измерений позволили выявить дефект втулки НВ (отслоение третьего снизу слоя резины).

Применение метода КТ способствует значительному повышению надежности путем выбраковки дефектных изделий. Представляется возможность контроля качества и внутренней геометрии ряда ответственных изделий и узлов, для которых традиционные методы дефектоскопии не дают удовлетворительных результатов.

Между структурой и механическими свойствами материалов имеется определенная взаимосвязь. Это позволяет судить о прочностных характеристиках материала по результатам исследования структуры, не прибегая к измерениям механических параметров.

Рис. 3. Исследуемая область торсиона НВ

■ 41 Г>* 4 ■■ '

■ -1

ктУ-Ъда

- г"

;г Г..

Сечение 1

т. .■ -'•^ъ-. ■

Сечение 11

Сечение 21

Сечение 81

Рис. 4. Компьютерные изображения исследуемых сечений

п ! 1

е.* м М.« 1М И.« М 1и п.»

Рис. 5. Значения коэффициентов ослабления в сечении торсиона

Количественная оценка дефектности структуры материала весьма затруднительна (особенно при диагностике изделия в сборе) с применением неразрушающих методов контроля. Практически единственным, в настоящее время, видом количественного контроля дефектности структуры КМ является лабораторная оценка пористости его «образцов-свидетелей». Объем пор 2-3% считается нормальным, дальнейшее увеличение пористости снижает прочностные характеристики материала.

Пористость ~ композиционного материала можно вычислить по формуле:

Уп =

100

Рп,

100- ^ Рс. Р.

(1)

где Ул - пористость (%); - массовое процентное содержание связующего (%); рт - плотность исследуемых образцов (г/см3); - плотность связующего; ри - плотность наполнителя.

В соответствии с этой формулой основными параметрами, изменяющимися в процессе изготовления, являются плотность рт и содержание связующего, они определяются на «образцах-свидетелях».

Количественная оценка плотности материала с помощью КТ основана на разнице в поглощении рентгеновского излучения различными материалами. Значения коэффициентов ослабления для композиционных материалов в известной нам литературе отсутствуют. Массовый коэффициент ослабления излучения контролируемого материала //(£), при заданном значении энергии рентгеновского излучения Е, является функцией, зависящей от плотности материала рт и его толщины к

И{Е) =/(а,А). (2)

При постоянной толщине исследуемой конструкции коэффициент ослабления зависит только от плотности материала рт .

Проведенные автором исследования позволили установить предварительную усредненную зависимость плотности материала от его коэффициента ослабления в ед.Н, определенного на КТ.

В результате этого появляется возможность путем количественной оценки коэффициентов ослабления, полученных при рентгеновском облучении исследуемого объекта, и последующим определением плотности определить пористость материала Уп и прогнозировать его механические характеристики.

Четвертая глава посвящена описанию метода исследования напряженно-деформированного состояния многослойных композиционных конструкций. В расчете используется трехмерная модель с набором специальных конечных элементов, имеющих слоистую структуру по толщине с различными механическими характеристиками каждого слоя (рис. 6).

Рис. 6. Многослойный конечный элемент : Структурно предлагаемый конечный элемент представляет собой искривленный параллелепипед, состоящий из набора слоев по толщине, каждый из которых является ортотропным материалом с осями ортотропии а.р.у. При этом предполагается, что плоскость а, р параллельна плоскости локальных координат т], т.е. ось ортотропии у параллельна локальной координате д. Если конечный элемент плоский, то часть его можно расположить таким образом, чтобы плоскость а,р совпадала с одной из плоскостей глобальной декартовой системы координат (например, Х,У).

Для задания ориентации осей а,р,у предусмотрены две возможности. Если конечный элемент плоский, и его плоскость совпадает с плоскостью ХУ, то угол (р определяется как угол между осью X и направлением а. Если элемент искривленный, то вводится в рассмотрение система ортогональных ортов Р,,Р,, Р3 таким образом, что Рл направлен по касательной к координатной линии а Р3 - перпендикулярен поверхности £ т], т.е. направлен вдоль координатной линии Ориентация осей а, Р, лежащих в плоскости Р,Р2, задается в виде угла <р между Р, и осью а.

Для построения матрицы жесткости необходимо определить матрицу физических соотношений [£>] в законе Гука для напряжений и деформаций

относительно глобальных осей через матрицу упругих констант [£)в ],

определяющую закон Гука в осях ортотропии. Для этого вводится в рассмотрение «матрица поворотов» деформаций на угол <р в плоскости а/3 [7^]. Если конечный элемент плоский, и плоскость ар совпадает с

плоскостью ХУ = , то матрица упругих постоянных имеет вид

]• (3)

Если конечный элемент искривленный, то вводится в рассмотрение матрица поворотов деформаций из системы Х,У,г с ортами 7,], к в

систему с ортами Р1,Р2,Р1. Для определения деформаций в осях а,/3,у через деформации в осях X, У, Ъ необходимо два преобразования: от X, У, Ъ к Р,,Р],Р3 и от Р1,Р2,Р} к а,Р,у. Первое преобразование определяется матрицей | |, второе матрицей [Га]. В результате матрица упругих характеристик [О] будет вычисляться так:

(4)

Для аппроксимации геометрии и исходных перемещений используется одинаковая система функций, т.е.

1=1 ¿»I

/-1

(5)

где функция формы.

Для вычисления деформаций определяется матрица Якоби и ее обратная матрица [С] = [ ]. После известных преобразований для аппроксимации деформаций получаются выражения

Г 6x1 "1 Г 6x3

и».

(6)

м-

(Я1/, Ж, ¿Ту',

о

о

Ж, Ж, Ж, о

Ж, Ж, Ж, с" а? Й7 +с" дд

Ж, Ж, Ж, с" й* +с" ^ +с" дд

0

ж, ж, ж1

с" й? +с" Л/

Ж, Ж1 Ж,

о

о

сЫ, Ж, Ж,

о

ж, ж, ж,

с" % +С" Я, +С»>

<ЭУ, ж, ж,

с--нс —- + с —-

" й? " гй? " £%■

(7)

Толщину каждого слоя А, удобно задавать в виде их относительных

И " "

значений к — £ Л,, 2 А* ~ ^ • Тогда координаты межслойных

поверхностей внутри элемента будут определяться в виде

+ <г3=-1 + 2Д|+2Д2,..,5Ч=-1+2ХД„..> (8)

»-I

Запишем выражение интеграла в левой части разрешающего вариационного уравнения равновесия

V, Ы-1 1 *

<ч «о

, (9)

где | - матрица упругих характеристик к-то слоя. По слоям эти матрицы могут отличаться из за различий в упругих константах, т.е. различны [ /У *11, или вследствие разных углов ориентации <р, т.е. различны 17^*'].

При вычислении блоков матрицы жесткости необходимо изменить квадратурную формулу, т.к. интегрирование по формуле Гаусса-Лежа!щра в поперечном направлении в интервале -12 < +1 не позволяет учесть специфику свойств материала по толщине. Более удобно представить интеграл по толщине всего пакета в виде суммы интегралов по каждому слою, и для вычисления последних использовать одноточечную формулу Гаусса-Лежандра. В этом случае получим

В пятой главе с использованием разработанной методики исследовано напряженно — деформированное и предельное состояние торсиона НВ с учетом внутренних дефектов, выявленных с помощью компьютерного томографа (разноплотность слоев стеклопластика и участки отслоения слоев резины от пластика).

При численных расчетах первый тип дефекта задавался путем изменения значения модуля упругости слоев Е[. Отслоение резины от пластика моделировалось путем задания нулевой жесткости как отдельных участков, так и всего слоя резины. Для оценки допустимых пределов этих дефектов был проведен расчет влияния дефектов на прогиб в плоскости тяги, в плоскости вращения, а также на угол закрутки при приложении тестовых нагрузок. Путем сравнивания этих параметров для дефектного торсиона с бездефектным определены диапазоны их отклонения в зависимости от размера дефекта и его расположения.

Оценка влияния механических характеристик слоев стеклопластика на НДС торсиона проводилась для трех вариантов значений модуля упругости

и предела прочности о\ каждого слоя, п риведенных в таблице.

№ вариа нта Е| в слоях 14-3, 10-12, кгс/см2 Е] в слоях 4-9, кгс/см2 <Т] в слоях 1-3, 10-12, кгс/см2 <?! в слоях 4-9, кгс/см2

1 4900 4900 93,3 93,3

2 4535 4055 109 116

3 5000 3500 106 119

Вариант 1 соответствует средним расчетно-экспериментальным характеристикам материала стеклопластиковых слоев торсиона.

Вариант 2 соответствует характеристикам, полученным в процессе исследования одного из торсионов на КТ и испытанного в центральной заводской лаборатории.

Вариант 3 является экстраполяцией варианта 2 в сторону недопрессовки внутренних и перепрессовки наружных слоев. Это соответствует 28,5% содержания связующего в наружных и 33% во внутренних слоях.

Для оценки влияния ненадежного склеивания слоев резины со слоями стеклопластика имитировалось отслоение первого и одиннадцатого слоя резины. По отношению ко всей поверхности слоя резины первый дефект составлял 0,56% (Вариант 4). Размер второго дефекта составлял 2,25% (Вариант 5). Такие дефекты были обнаружены у одного из торсионов при исследовании на компьютерном томографе, кроме этого для оценки влияния размеров дефекта такого типа на напряженно-деформированное состояние торсиона НВ было смоделировано 100% отслоение рассматриваемых слоев (Вариант 6).

Еще одним фактором, влияющим на жесткостные параметры торсиона, являются механические характеристики резины. (Вариант 7).

При расчетах определялись перемещения' и деформации, как всего торсиона, так и в отдельных его слоях.

Деформированное состояние торсиона при изгибе его силой Р2 в плоскости тяги приведено на рис. 7.

Значения прогиба для вариантов дефектов показаны на рис. 8.

1,

Рис.7. Деформированный торсион

Установлено, что незначительное отслоение резины

(варианты 3, 4), которое составляет 3% от всего слоя, не влияет на величину прогиба. В свою очередь, отслоение всего слоя резины (вариант 6) увеличивает величину прогиба на 15%. Максимальные напряжения оц

изменяются на 11%, минимальные на 24%. Варианты, связанные с изменением механических характеристик слоев, влияют на жесткостные характеристики в меньшей степени, поскольку величина прогиба увеличивается на 7%, а напряжения - на 6%. Причем, в варианте 3 напряжения ац для верхнего слоя оказываются даже меньше, чем в исходном варианте 1 (торсион без дефектов).

Кроме того, установлено, что с увеличением модуля упругости резины жесткость торсиона увеличивается. Эта зависимость имеет нелинейный характер. Например, увеличение модуля с 0,6 до 1 кг/мм2 уменьшает значение прогиба на 33%. Это может наблюдаться при эксплуатации торсиона в условиях низких температур.

Подобные результаты получены при кручении торсиона и изгибе его в плоскости вращения.

Рис.8. Результаты расчетов

Основные результаты и выводы

Л... Разработана методика неразрушающего контроля композиционных деталей на КТ, которая учитывает особенности внутренней структуры многослойных композиционных конструкций, характер дефектов и технические возможности КТ по их обнаружению.

2. Проведены исследования втулок НВ вертолета, которые позволили оценить возможности различных томографов выявлять внутренние дефекты и определять их размеры. » -

3. Выполнена серия экспериментов и установлена взаимосвязь между параметрами внутренней структуры материала, определяемыми на КТ, и его механическими характеристиками с целью прогнозирования ресурса.

4. С использованием МКЭ разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния многослойных конструкций с дефектами.

5. Проведен расчет влияния различных типов дефектов на жесткостные характеристики торсиона при приложении тестовых нагрузок, сформированы требования к допустимым размерам дефектов, проведено сравнение с экспериментом.

Публикации по теме диссертации

1.Бугаков И.С., Хлебников А.А. Integrated implementation of MI-17 modernization program and MI-38 new génération transport helicopter developmtnt. 27 European rotorcraft forum / September 11-14 2001, Moscow, Russia, C.170

2. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Павлова H.B., Сотников А.С. Результаты использования компьютерного томографа в системе контроля качества композиционных деталей. Сборник материалов XV Всероссийской межвузовской НТК «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Часть 1, Казань: КФАУ, 2003. С. 312-313.

3. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Голованов А.И., Павлова Н.В. Исследование локальной прочности многослойных композиционных конструкций при усталостных испытаниях. Материалы IX Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред». М., Изд-во «Оптимпресс», 2003, С.50-52.

4. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Голованов А.И., Михайлов С.А., Павлова Н.В. Применение современных технологий исследования локальной прочности многослойных конструкций при усталостных испытаниях. Труды XIII Межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи», Изд-во Самарского ГТУ, Самара, 2003, С.17-18.

5. Бугаков И.С., Бугаенко А.Г., Митряйкин В.И., Михайлов С.А. Оценка состояния композиционных конструкций при усталостных испытаниях путем измерения температуры разогрева. Вестник

Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия Механика. Вып.1 (5). Н.Новгород: Изд-во НГУ, 2003, С.159-163.

6. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Михайлов С.А. Методологические основы построения системы контроля качества композиционных деталей с использованием компьютерного томографа. Материалы X Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред». М.: Изд-во «Оптимпресс» 2004, С.50-52.

7. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Михайлов С.А. Результаты использования компьютерного томографа при неразрушающем контроле многослойных композиционных деталей. Труды VI Форума Российского вертолетного общества, М: Изд-во Российского вертолетного общества, 2004г. II С.67-71.

8. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Павлова Н.В. Оценка характера разрушений композиционных конструкций с помощью компьютерного томографа. Материалы докладов XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология», Казань: КФВАУ, 2004, ч. 1, С.248-249.

9. Бугаков И.С., Митряйкин В.И. Результаты применения компьютерного томографа для исследования внутренних дефектов и структуры композиционных конструкций. Материалы международной научной конференции «Актуальные проблемы математики и механики» Труды математического центра им. Н.И. Лобачевского. Т.25, Казань: Изд-во Казанского математического общества, 2004.С.50-51

10. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Голованов А.И., Михайлов С.А. Расчетно-эксперимёнтальное исследование локальной прочности многослойных композиционных конструкций сложной формы. Межвузовский научный сборник «Нелинейная динамика механических и биологических систем». Вып. 2, Саратов: Изд-во Саратовского ГТУ, 2004, С.112-117. "

11. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Павлова Н.В. Построение системы контроля качества композиционных деталей с использованием компьютерного томографа. Сборник научно - технических статей «Совершенствование боевого применения и разработок артиллерийского вооружения и военной техники, социально-педагогических аспектов подготовки военных специалистов», Казань: КФВАУ, 2004, С. 152-155.

12. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Павлова Н.В. Результаты использования компьютерного томографа при неразрушающем контроле композиционных деталей вертолета. Сборник трудов, Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2004, С.31-35.

13. Бугаков ' И.С., Митряйкин В.И., Лаврентьев А.П. Результаты использования компьютерного томографа для неразрушающего контроля композиционных конструкций. Проблемы интеллектуального и военного

транспорта. Выпуск 6. ОАО НПО «Радар-ММС» С.Петербург: Изд-во «Логос», 2005, С.311-315.

14. Ахмадуллин В.Л., Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Голованов А.И. Методика неразрушающего контроля композиционных конструкций путем оценки изгибных жесткостей. Труды II Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи», Изд-во СГТУ, Самара, 2005, С.45-47.

15. Ахмадуллин B.JL, Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Голованов А.И, Исследование напряженно-деформированного состояния многослойного торсиона несущего винта с учетом внутренних дефектов. Сборник статей Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин», Пенза: НОУ «Приволжский дом знаний», 2005, С.114-117.

16. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Шувалов В.А. Определение внутренних дефектов многослойных композиционных конструкций путем послойной визуализации их структуры компьютерным томографом. Тезисы докладов 4-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2005», М.: Изд-во МАИ, 2005, С.87.

17. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Шувалов В.А. Оценка несущей способности многослойного торсиона несущего винта с учетом внутренних дефектов, определенных компьютерным томографом. Труды VII Форума Российского вертолетного общества, М.: Изд-во Российского вертолетного общества, 2006г. II С. 17-21.

18. Ахмадуллин В.Л., Бугаков И.С., Голованов А.И., Митряйкин В.И. Численная оценка влияния внутренних дефектов на напряженно-деформированное состояние торсиона. IV Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века». Пенза: Изд-во «Приволжский дом знаний», 2006, С. 178-182.

19. Пат.30339, B64C27/04,B64D27/10. Вертолет (ВК-2500). Бугаков И.С. и др.

20. Пат.53916, 12-07. Вертолет АНСАТ (одиннадцать вариантов). Бугаков И.С. и др.

21. АС 2175625, В64С27/00, 27/06, B64D9/00, 11/00. Транспортный вертолет Бугаков И.С. и др.

22. АС 2180307, В64С1/24, Грузовой люк летательного аппарата. Бугаков И.С. и др.

23. АС 2224686, В64С27/04, B64D33/00. Вертолет (Safir). Бугаков И.С.

и др.

24. АС 2238221, В64С27/82. Вертолет и способ управления одновинтовым вертолетом. Бугаков И.С. и др.

25. АС 2245821, В64С19/00, 27/04. Система компенсации реактивного момента несущего винта одновинтового вертолета. Бугаков И.С. и др.

Подписано к печати 17.05.2006 г. Бумага офсетная. Гарншура Тайме. Формат 80x108 у\ь Уел печ_л. 1,0, Уч.-издл. 1Д5. Печать риэографическая. Тираж 100 экз. Заказ 018.

Отпечатано с голового оригинал-макета в типографии ООО «Олигех» 420015, г-Казань, ул.Толстого, 15(3-е здание КАИ) телЗб-11-71 Лицешия№0139 от 15.10.98г. выданная министерством информации и печати Республики Татарстан

Введение.

Глава 1. Конструктивные особенности и технология изготовления втулки несущего винта вертолета АНСАТ.

1.1. Описание конструкции, технологии изготовления и контроля качества втулки несущего винта вертолета.

1.2. Определение механических характеристик материалов используемых для изготовления втулки НВ, их зависимость от технологических и метеорологических факторов.

Глава 2. Оценка технических возможностей компьютерного томографа для диагностики композиционных конструкций.

2.1. Принцип работы и типовые схемы компьютерных томографов.

4 2.2. Устройство и технические характеристики компьютерных томографов.

2.3. Оценка погрешностей измерений компьютерным томографом.

2.4. Анализ результатов применения компьютерной томографии для неразрушающе го контроля композиционных деталей.

Глава 3. Исследование дефектов многослойных композиционных конструкций JIA путем послойной визуализации их внутренней структуры компьютерным томографом.

3.1. Результаты неразрушающего контроля на компьютерном томографе втулок НВ вертолета АНСАТ.

3.2. Использование компьютерной томографии для определения механических характеристик материала путем исследования его внутренней структуры.

Глава 4. Методика расчета напряженно - деформированного состояния многослойных композиционных конструкций на базе метода конечных элементов.

4.1. Конечный элемент анизотропной теории упругости.

4.1.1. Постановка задачи.

4.1.2. Построение матрицы жесткости.

4.2. Многослойный конечный элемент.

Глава 5. Результаты оценки несущей способности торсиона НВ с учетом внутренних дефектов.

5.1. Расчетная схема торсиона НВ и характеристики дефектов.

5.2. Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния торсиона НВ с учетом дефектов при приложении нагрузок жесткостных испытаний.

5.2.1. Нагружение торсиона перерезывающей силой в плоскости тяги.

5.2.2. Нагружение торсиона силой в плоскости вращения.

5.2.3. Нагружение торсиона крутящим моментом.

Передовая современная техника характеризуется во всем мире постоянным ростом объемов использования полимерных композиционных материалов (ПКМ), позволяющих разработчикам достигать более совершенных технических и экономических характеристик.

Эти материалы весьма разнообразны. Их можно разделить на неармированные и армированные.

Неармированные полимеры имеют сплошную или пористую структуру, не содержащую армирующих волокон. К ним относятся резины, полиуретаны, пенопласты, полиэтилены и т.п.

Армированные полимеры представляют собой полимерную матрицу, содержащую тонкие армирующие волокна из высокопрочных материалов -стекла, углерода, органических веществ и т.п. Волокна придают материалу прочность и жесткость, матрица соединяет материал в единую структуру.

Варьирование составом и номенклатурой компонентов можно получить широкий спектр разнообразных свойств композиционных материалов:

1) высокую удельную прочность, достигающую значений, характерных для лучших сталей и титановых сплавов;

2) коррозионную стойкость и химическую инертность, достаточные для использования без применения защитных лакокрасочных покрытий в различных климатических условиях, в контакте с морской водой и рядом агрессивных химических веществ;

3) малую чувствительность к концентраторам напряжений, допускающую наличие в материале ряда технологических и эксплуатационных несовершенств структуры (пор, трещин, надрезов и др.);

4) хорошую демпфирующую способность, связанную с большим внутренним трением и свойством гетерогенного материала рассеивать энергию колебаний, что сообщает материалу повышенную по сравнению с металлами и другими гомогенными материалами стойкость к знакопеременным нагрузкам и высокую энергоемкость при амортизировании колебаний.

К комплексу перечисленных свойств композиционные материалы добавили прогрессивные технологические возможности - неограниченную жизнеспособность сырья и полуфабрикатов, сокращенный цикл формования, расширение номенклатуры способов переработки в изделия, возможность осуществления сварочной сборки узлов и агрегатов, а также возможность рентабельной утилизации и вторпереработки отходов производства и выработавших ресурс изделий.

Создание композиционных материалов явилось следствием постоянно растущих требований со стороны современной техники и технологии. Вместе с тем, новые материалы предопределили появление принципиально иных конструктивных и функциональных решений с более совершенными тактико-техническими параметрами, с высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью, а также с пониженными показателями материальных, трудовых и энергетических затрат в производстве техники. ,:

Все эти стимулы обусловливают повышение спроса на ПКМ во всех областях применения конструкционных материалов. Хронология изменения мировой структуры потребления конструкционных материалов в % по материалом работы [ 1 ] представлена в табл. 1.

Таблица 1.

Статистические данные по годам

Материалы 1980 1990 2000 2010(прогноз) 2020(прогноз)

Металлы 70 57 44 35 25

Пластмассы 14 18 22 25 32

ПКМ 6 12 14 17 18

Керамика 10 12 20 23 25

Так, если к 1980 г., когда доминировали металлические материалы (70%), ПКМ могли удовлетворить всего лишь 6% потребностей техники, то в настоящее время их доля возросла более чем вдвое, а в ближайшие годы увеличение прогнозируется еще в три раза.

Перспективными потребителями ПКМ являются автомобилестроение, трубопроводный транспорт, гражданское строительство, судостроение, и т. д. [6-8]. В настоящее время основными потребителями ПКМ, является ракетостроение и авиакосмическое производство [8-11].

Уровень применения композиционных материалов в % от массы конструкции ракетной, авиационной и космической техники, характеризуется [И] следующими показателями: космические аппараты 1520%, стратегические ракеты с РДТТ 75-80%, крупногабаритные РДТТ 8590%, стратегические ракеты с ЖРД 25-30%,боевые вертолеты 45-55%, боевые самолеты 25-30%, транспортные и пассажирские самолеты 15-25%. Например, у самолета АН-124 доля ПКМ в конструкции составляет 15% (рис. 1).

Эта тенденция характерна и для вертолетов производимых, на ОАО «Казанский вертолетный завод». К примеру, если на вертолетах Ми-8, Ми-17 из композиционных материалов изготавливаются только носовой обтекатель и элементы внутренней отделки, то на вертолете Ми-38 (рис. 2) перечень деталей из ПКМ намного больший: лопасти несущего и рулевого винтов, бортовые панели, фонарь кабины пилотов, носовой обтекатель, створки заднего отсека фюзеляжа, обтекатель хвостовой балки, стабилизатор, боковая обшивка и хвостовая часть киля. На вертолете АКТАМ из ПКМ изготовляются лопасти несущего и рулевого винтов, корпус втулки несущего винта (НВ), эластомерный демпфер, эластомерный осевой подшипник, на вертолете АНСАТ: лопасти несущего и рулевого винтов, втулка НВ, вертикальное оперение, фонарь кабины пилотов, носовой обтекатель, обтекатель хвостовой балки, капоты редукторного отсека (рис. 3). Большинство этих элементов представляют собой многослойные конструкции, комбинации неразъемно-соединенных

Рис. 1. Применение ПКМ в конструкции самолета Ан-124

Рис. 2. Применение ПКМ в конструкции вертолета Ми-38

Рис. 3.Структурная схема вертолета АНСАТ. между собой стеклопластика и других материалов, к примеру, втулки и лопасти НВ (рис. 4).

Рассмотрим наиболее распространенные варианты многослойных конструкций (рис. 5). Это соединения обшивок с лонжеронами (рис. 5а), трехслойные панели, состоящие из двух обшивок с сотовым заполнителем (рис. 56) или пенопластом (рис. 5в), слоистый пластик или конструкция из нескольких слоев пластика и резины (рис. 5г). На рис. 5 показаны плоские конструкции, хотя обычно они имеют криволинейные формы.

В основе создания большинства композиционных материалов и конструкций лежит метод достижения заранее заданных свойств путем формирования оптимальной (применительно к условиям эксплуатации) пространственной структуры изделий из специально подобранных исходных материалов и структурных элементов. Эффективность этого приема в решающей степени зависит от способности используемого технологического процесса воспроизводить с необходимой точностью требуемую объемную структуру в каждом изготавливаемом изделии. Существующая технология не гарантирует отсутствия в изделиях тех или иных дефектов, снижающих качество продукции.

Дефектами следует считать такие повреждения в структуре материалов, которые ухудшают их физико-механические характеристики, установленные нормативными документами. Допустимыми обычно считаются дефекты, ухудшающие механические характеристики в пределах точности инженерных расчетов, погрешностей измерений, производимых при механических испытаниях и т. д.

Причинами возникновения дефектов при изготовлении изделий из ПКМ являются несоблюдение режимов подготовки исходного сырья, неудовлетворительное состояние технологического оборудования, нарушение технологических режимов изготовления и последующей термообработки изделия. I

10 втулки несущего винта фрагмент лопасти несущего винта

Рис. 4. Многослойные композиционные конструкции вертолета АНСАТ пластик соты пенопласт (органит) пластик пластик

Рис. 5.Типы многослойных композиционных конструкций

Значительное влияние на качество стеклопластиков оказывают несовершенство конструкции и техническое состояние технологического оборудования, а также контрольно-измерительного оборудования, т.к. неравномерность обогрева или охлаждения изготавливаемого объекта приводит к образованию в изделии расслоений, трещин и избыточной пористости материала. Это особенно важно при изготовлении крупногабаритных деталей, изделий сложной конфигурации и небольшой толщины, таких как зализ стабилизатора.

Технологические дефекты возможно разделить на две группы.

К первой группе относятся дефекты, возникающие в стеклопластиках из-за их армирования стекловолокнами конечной длины или же вследствие разрушения (нарушения) непрерывности волокон при изготовлении изделий.

Ко второй группе относятся нарушения сплошности полимерной матрицы, которые могут быть причиной целого ряда дефектов.

В таблице 2 дана классификация технологических дефектов, возникающих из-за отклонения от заданных технологических режимов при изготовлении конструкций.

Таблица 2

Наименование дефекта Краткая характеристика Причина возникновения

1 2 3

Наружные дефекты

Раковины Углубления, полости различных форм Наличие воздуха в связующем, увеличенное содержание летучих растворителей и неравномерное обжатие изделия при прессовании, нарушение режима прессования

1 2 3

Неровности наружного слоя Волнистость, шероховатость поверхности, царапины Небрежная подготовка рабочей поверхности оснастки. Сдвиг незаполимеризованного верхнего слоя смолы. Складки поверхностного слоя наполнителя

Выделение текстуры Оголение стеклоткани на поверхностном слое. Недостаточное содержание связующего в поверхностном слое Недостаточная толщина плакировочного слоя. Выдавливание стеклоткани на поверхностный слой

Отслоение верхнего слоя Верхний слой стеклоткани отстает от основного материала Недостаточная пропитка при укладке последующего слоя или недостаточное его уплотнение

Внутренние дефекты

Пористость Микроскопические воздушные пузырьки в связующем диаметром ~ 2 мм Попадание воздуха при смешивании химических компонентов. связующего, нарушение режимов отверждения (при ускоренном полимеризовании летучие растворители не успевают удалиться из материала)

Воздушные включения Вытянутые округлые воздушные пузыри диметром более 2 мм, расположенные между слоями стеклонаполнителя Неполное удаление воздуха, внесенного при укладке слоев наполнителя. Деформация при отверждении и термообработке конструкций, особенно при сложной конфигурации изделий и в местах резкого изменения толщины стеклопластика

1 2 3

Трещины Макро- и микротрещины в связующем между волокнами наполнителя и по контуру волокон Неправильная дозировка компонентов связующего, избыток связующего, чрезмерное ускорение процесса полимеризации, деформации при отверждении и термообработке изделий

Неполная полимеризация В течение заданного времени отвержения связующее не приобретает необходимой прочности, жесткости, адгезионных свойств и стойкости к агрессивным средам Низкое качество компонентов связующего, неправильная дозировка отверждающих добавок, неудовлетворительное перемешивание связующего, неравномерное распределение химических компонентов по объему материала, нарушение режимов отверждения, ингибирующее действие кислорода воздуха на процесс полимеризации поверхностных слоев стеклопластика

Расслоение в материале (непроклей) Вытянутые воздушные включения площадью до нескольких десятков квадратных сантиметров, имеющие резко очерченные края, расположенные между слоями наполнителя Слабая адгезия между слоями наполнителя из-за неравномерного распределения связующего, пересушенная стеклоткань, в которой летучих растворителей менее 2 %, неполное удаление воздуха при укладке слоев наполнителя, неправильная термообработка

Каждый из рассмотренных дефектов в различной степени ухудшает физико-механические свойства полимерных материалов. Степень влияния зависит от вида дефекта, его размера и местоположения, а также от условий эксплуатации готового изделия.

Наружные дефекты - неровности, раковины, трещины, а также растрескивание поверхностного слоя сказывается на прочностных свойствах ПКМ не сразу, а по истечении некоторого времени.

Они приводят к оголению текстуры наполнителя, что увеличивает гидрофобность, и, следовательно, ослабляет прочностные свойства материалов. Но наружные дефекты легко определяются визуальным контролером и могут быть устранены.

Наиболее тяжелое влияние на физико-механические свойства ПКМ оказывают внутренние дефекты. Экспериментальные данные показывают, что внутренние дефекты с самого начала ухудшают физико-механические свойства композиционных материалов, и с течением времени это влияние усугубляется. Расслоения влияют на прочность при сдвиге, изгибе и сжатии.

Резко очерченные края расслоений являются концентраторами напряжений и ухудшают механические свойства композиционных материалов. Ослабляя полимерную матрицу и разъединяя отдельные слои армирующего материала, они препятствуют равномерному распределению напряжений по сечению материала.

Трещины в связующем являются концентраторами напряжений, влияют также, как расслоения, с той разницей, что трещины развиваются быстрее, могут иметь разветвления и приводят к расколу, к разрушению связующего между слоями.

Неполная полимеризация связующего снижает твердость, ослабляет адгезию между отдельными слоями наполнителя, ухудшая его демпфирующие свойства, а также другие механические характеристики стеклопластика. Влияние неполной полимеризации может сказаться не сразу, а со временем, когда замечается разрушение клеевого слоя и расслоения стеклопластика.

Увеличение количества связующего по отношению к армирующему материалу приводит к увеличению массы материалов. Экспериментально установлено, что увеличение количества связующего до 50-60 % приводит к снижению прочности на сдвиг на 10-12 %, а прочности на сжатие на 8-10 %.

Недостаточное содержание связующего приводит к уменьшению адгезии между слоями стеклоткани, что создает условия для появления расслоений.

Инородные включения, попавшие в композиционный материал, необязательно вредны сами себе, но они вызывают искривление волокон, создают области с повышенным содержанием клея или вызывают повышенное скопление пор. При циклических напряжениях они могут образовывать локальные «горячие» области, в которых начинаются усталостные разрушения.

Таким образом, основными причинами разрушений (полных или частичных) ПКМ являются: разброс физико-механических и геометрических параметров формирующего наполнителя и связующего - матрицы; недостаточно высокие адгезионные и когезионные характеристики наполнителя и связующего; остаточные напряжения в связующем; внутренние технологические микродефекты в волокне, связующем, на границе раздела волокно - связующее и микродефекты в ПКМ (поры, микро-и макротрещины, расслоения, раковины и т.д.), а также поверхностные дефекты (риски, царапины, трещины, срез полотна, нахлесты полотна и т.д.).

Все эти факторы носят случайный характер, и учесть раздельно их влияние на надежность ПКМ является трудной задачей.

Для оценки физико- механических свойств полимерных композиционных материалов необходимо установить норму дефектов, при наличии которых механические свойства ПКМ изменяются не существенно, т.е. необходимо отличить дефекты потенциально опасные при эксплуатации конструкций от тех, которыми можно пренебречь.

Допустимые нормы дефектов в композиционных материалах должны разрабатываться с учетом прочностных свойств ГЖМ, которые в значительной степени зависят не только от видов наполнителя и связующего, но и от способа укладки армирующего материала, от технологии и режима производства.

Перечисленные факторы затрудняют создание целостного и стройного ряда норм на дефекты композиционных материалов, как это имеет место для металлов.

Принятые существующие методы неразрушающего контроля ГЖМ и разработка новых методов должны быть тесно связаны с программой механических испытаний, при которых оценивается конструктивное значение различных дефектов.

Механизмы, управляющие разрушением в композитах, более сложны, чем в металлах, мало известна важность различных типов дефектов, особенно их влияние на прочность конструкции и ее элемента. Чрезвычайно необходима количественная информация о той степени, в которой конкретный тип дефекта будет опасен в конкретной слоистой структуре при заданном поле напряжений.

Следовательно, разработка допустимых норм дефектов определяется двумя факторами - условиями работы конструкции из композиционных материалов и техническими возможностями современных средств неразрушающего контроля.

Большинство композиционных материалов подвержены старению, т.е. их свойства меняются под действием эксплуатационных нагрузок и климатических факторов. В зависимости от размеров, характера и расположения этих дефектов, а также назначения и условий работы детали и узла дефекты могут быть допустимыми или недопустимыми.

Вопрос о том, какие дефекты допустимы в данном узле или детали, решается конструктором совместно со службой прочности. Отметим, что проблема выбора критериев браковки весьма сложна. Для ее оптимального решения необходимы сложные расчеты, натурные испытания изделий с различными дефектами, обобщение результатов эксплуатации и т.п. Максимальные размеры допустимых дефектов указываются в технических условиях на изготовление конкретного изделия. При этом следует учитывать реальные возможности существующих методов и средств неразрушающего контроля, имеющихся на предприятии.

Цель работы: разработать методологию неразрушающего контроля композиционных деталей с использованием компьютерного томографа и расчетно-экспериментальную методику оценки напряженно-деформированного состояния многослойных конструкций с учетом внутренних дефектов.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы включающего 103 наименования.

Заключение

1. Проанализировано влияние технологических факторов на внутренние дефекты композиционных конструкций, сформулированы требования к размерам дефектов и средствам неразрушающего контроля.

2. Разработана методика неразрушающего контроля композиционных деталей на компьютерном томографе (КТ), которая учитывает особенности внутренней структуры многослойных композиционных конструкций, характер дефектов и технические возможности КТ по их обнаружению.

3. Проведены исследования композиционных деталей на КТ, которые позволили выявить ряд производственных и эксплуатационных дефектов и с достаточной точностью определить их расположение и размеры.

4. Проведена серия экспериментов по установлению взаимосвязи между параметрами внутренней структуры материала, определенными на КТ и его механическими характеристиками.

5. Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния многослойных композиционных конструкций, имеющих различные типы дефектов, с использованием метода конечных элементов. Базовым в расчетах принимался трехмерный многослойный конечный элемент с квадратичной аппроксимацией по двум координатам и линейной по третьей.

6. Проведена модернизация разработанного пакета программ с целью расчета НДС многослойных конструкций, имеющих внутренние дефекты.

7. Выполнен расчет влияния различных типов дефектов на жесткостные характеристики торсиона при приложении тестовых нагрузок, установлены допустимые размеры дефектов.

1. Авиационные материалы. Справочник. Том 9. Клеи, герметики, уплотнительные материалы, жидкости для гидросистем. Издательство ОНТИВИАМ, 1973.

2. Авиационные материалы. Справочник. Том 9. Конструкционные стали. Издательство ОНТИ ВИАМ, 1973.

3. АНСАТ легкий многоцелевой. Приложение к Российскому информационному журналу «Вертолет». Вертолетный мир России, 2000. С. 70-71.

4. Бакулин В.Н., Рассоха А.А. Метод конечных элементов и голографическая интерферометрия в механике композитов. М.: Машиностроение, 1987. - 312 с.

5. Бастраков С.М. и др. Статические испытания образца несущего винта вертолета АНСАТ по программе ЭИ.2100.5000.ПМ.09.1. Отчет по НИР № 1579 ОНИЛ прочности и надежности КГТУ. Казань, 1998.43 С. 12-25.

6. Бастраков С.М. и др. Статические испытания образца несущего винта вертолета АНСАТ. Отчет по НИР № 1596 ОНИЛ прочности и надежности КГТУ. Казань, 1998. 85 с.

7. Белоцерковский С.М. Тонкая несущая поверхность в дозвуковом потоке газа.- М.: Наука, 1965. 244 с.

8. Браверман А.С., Вайнтруб А.П. Динамика вертолета. Предельные режимы полета. М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.

9. Брамвелл А.Р.С. Динамика вертолетов. М.: Машиностроение, 1982. -368с.

10. Бугаков И.С., Хлебников A. Integrated implementation of MI-17 modernization program and MI-38 new generation transport helicopter developmtnt. 27th European rotorcraft forum / September 11-14 2001, Moscow, Russia, C.170.

11. Бугаков И.С., Митряйкин В.И., Михайлов С. А. Результаты использования компьютерного томографа при неразрушающем контроле многослойных композиционных деталей. Труды VI вертолетного Форума, -М: Изд-во Российского вертолетного общества, 2004г. II С.67-71.

12. Бугаков И.С., Хлебников A. Integrated implementation of MI-17 modernization program and MI-38 new generation transport helicopter developmtnt. 27th European rotorcraft forum / September 11-14 2001, Moscow, Russia, C.170.

13. Братухин И.П. Проектирование и конструкция вертолетов. -М.: Оборонгиз, 1955. 360 с.

14. Бурман З.И., Шувалов В.А. Конечно-элементный расчет тонкостенных подкрепленных оболочек типа фюзеляжа с учетом физической нелинейности и потери устойчивости некоторыми элементами. Изв. вузов. Авиационная техника, 1980. № 4. С. 20-24.

15. Бурцев Б.Н., Гендлин Г.Я., Селеменев С.В. Метод и примеры вычисления траектории и параметров полета на акробатических маневрах вертолета Ка-50. Труды IV форума Российского вертолетного общества. -М., 2000. С. 45 49.

16. Быков Е.В., Попов Б.Г., Расчет многослойных оболочечных конструкций с учетом деформации поперечных сдвигов. Расчеты на прочность. Вып. 30. -М.: Машиностроение, 1989. С. 66-87.

17. Вайнберг Э.И. Контроль изделий из композиционных материалов методом рентгеновской вычислительной томографии.-М.: «Дефектоскопия» №10, 1984, С.32-35.

18. Вайнберг Э.И., Казак И.А., Файнгайз M.JI. Рентгеновская вычислительная томография по методу обратного проецирования с фильтрацией двойным дифференцированием. Процедурные и информационные особенности.-М.: Дефектоскопия, № 2,1985 с.31-39.

19. Вайнберг Э.И. Рентгеновская вычислительная томография в диагностике композитов. Методы и средства диагностики несущей способности изделий из композитов. Рига: Зинатне, 1986 с. 136-140.

20. Вайнберг Э.И., Казак И.А., Файнгайз M.JL, Цыганов С.Г. Опыт разработки и применения рентгеновских вычислительных томографовдля дефектоскопии. «Приборы и системы управления».-М.: 1987, №9. С.20-22.

21. Вождаев Е.С. Теория несущего винта вертикально взлетающего вертолета в осевом потоке. -Тр. ЦАГИ, 1970. Вып. 1234. 42 с.

22. Володко A.M. Безопасность полетов вертолетов. -М.: Транспорт, 1981. 223 с.

23. Втулки несущих винтов вертолетов. Обзор №393 ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. Составитель Лернер М.А. Изд-во ОНТИ ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, 1972. 63 с.

24. Гессоу А.В., Мейерс Г.Е. Аэродинамика вертолета. -М.: Оборониз, 1954.- 256 с.

25. Голованов А.И., Красновский И.Ю. Расчет композитных оболочек на основе гипотез Тимошенко и метода конечных элементов. Прикл. мех., 1992,т. 28,№8,-С. 53-58.

26. Голованов А.И., Паймушин В.Н. Декомпозиция составных конструкций с несопряженными сетками конечных элементов на общей грани и алгоритм организации параллельных вычислений. Прикладные проблемы прочности и пластичности. Н. Новгород, 2000. С.82-92.

27. Голованов А.И., Бережной Д.В. Метод конечных элементов в механике деформируемых твердых тел. Казань: «Дас», 2001. - 301 с.

28. Композиционные материалы. Т.7, 4.1. Анализ и проектирование конструкций. -М.: Машиностроение, 1978.

29. Композиционные материалы. Справочник. Киев: Наукова думка, 1985.592 с.

30. Лисс А.Ю. Расчет торсиона балочного типа. Изв. вузов. Авиационная техника. Казань, 2001. № 4. - С. 16-21.

31. Маченков В.И., Мальцев В.П. и др. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. Справочник. -М.: Машиностроение, 1989. 520 с.59