Эксплуатационная долговечность элементов авиаконструкций из композиционных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.14, кандидат технических наук Лебедев, Игорь Константинович

• Лебедев, Игорь Константинович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедев, Игорь Константинович

Введение.

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

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

1.1.1 Использование композиционных материалов в конструкции планера.

1.1.2 Применение композиционных материалов в существующих и перспективных газотурбинных двигателях.

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

1.3 Использование композиционных материалов при восстановительном ремонте элементов авиаконструкций.

1.4 Постановка задач исследования.•.

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

2.1 Особенности сопротивления разрушению КМ.

2.2 Испытательное оборудование для моделирования эксплуатационных нагрузок.

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

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

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

3.3 Сопоставление результатов расчетов с данными экспериментов.

3.4 Выбор режимов эквивалентных ускоренных испытаний.

4 Прикладные задачи оценка прочности элементов авиаконструкций из КМ.

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

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

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

4.3.1. Результаты испытаний образцов материалов.

4.3.2 Результаты испытаний образцов элементов конструкций

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

5.1 Разработка сверхлегкого металлокомпозитного баллона высокого давления.

5.2 Результаты проектирования и испытаний металлокомпозитных баллонов высокого давления.

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

5.4. Технология изготовления баллона.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эксплуатационная долговечность элементов авиаконструкций из композиционных материалов»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Автором получены следующие результаты и разработки, выносимые на защиту :

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

- результаты экспериментальных исследований образцов элементов конструкций АТ из КМ;

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

- метод расчета динамической устойчивости оболочек сетчатой структуры из КМ;

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

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

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

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

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

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

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

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

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