Эксплуатационная долговечность элементов авиаконструкций из композиционных материалов

                                                                                             На правах рукописи

Лебедев  Игорь  Константинович

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАКОНСТРУКЦИЙ  ИЗ  КОМПОЗИЦИОННЫХ  МАТЕРИАЛОВ  

Специальность  05.22.14 – «Эксплуатация воздушного транспорта»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА  2011

Работа выполнена в Московском Государственном техническом

                                           университете гражданской авиации.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

                                           Никонов Валерий Васильевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

                                              Коняев Евгений Алексеевич

                                           -  кандидат технических наук, с.н.с.

                                              Бакулин Владимир Николаевич

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский

                                         институт гражданской авиации

Защита состоится    «24»  марта 2011 года в 13.00 часов в аудитории 4P на заседании Диссертационного Совета Д 223.011.01. в Московском Государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125493, г. Москва, Кронштадтский бульвар, дом 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан   «24» февраля 2011 года.

Ученый секретарь                                                       С.В. Кузнецов

Диссертационного Совета

д.т.н., профессор

ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

Актуальность темы.  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 надёжностью, заложенной при ее проектировании и производстве, применением прогрессивных концепций конструирования АТ и научно-обоснованных систем технической эксплуатации.

В настоящее время дальнейшее совершенствование АТ невозможно без применения новых конструкционных материалов. Один из путей улучшения летно-эксплуатационных характеристик ВС заключается в более широком использовании новых композиционных материалов (КМ).

Так, фирмой Boeing спроектирован пассажирский самолет с фюзеляжем выполненным из КМ, значителен процент использования композитов в аэробусе А380 (около 50%). В достаточно массовом количестве они были внедрены на отечественных самолетах Ил-86, Ил-96, Ту-204, Ту-334. Например, на самолете Ту-204 до 30% элементов механизации  крыла (элероны, закрылки, рули высоты и направления) изготовлены из композитов. Накоплен опыт применения армированных пластиков в качестве материалов для обтекателей, отсеков фюзеляжей, мотогондол,  лопаток компрессоров низкого давления и турбин, воздухозаборников, звукоизолирующих экранов и т.п.

Надо отметить, что интенсивному 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.

Наряду с этим экономические возможности авиационных отраслей не позволяют проводить полномасштабные натурные испытания конструкций для прогнозирования ресурса, что  связано с длительностью и значительной стоимостью таких испытаний.  Кроме того, переход авиатехники на эксплуатацию по состоянию (это фактически означает отказ от плановых капитальных ремонтов) 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 КМ значительно сложнее. Поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к развитию и уточнению методик расчетов на прочность и долговечность элементов из КМ  и их соединений с учетом особенностей  свойств КМ и характера эксплуатационных нагрузок.

Важным направлением исследований является разработка и совершенствование методов оценки долговечности при нерегулярных режимах нагружения, характерных для реальных условий эксплуатации. В отличие от традиционных материалов (металлов), в композитах при случайных нагрузках (в силу гетерогенной структуры КМ) возникают рассеянные повреждения, для описания развития которых необходимо применение нелинейных моделей процессов исчерпания ресурса.

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

Также следует отметить, что каждый  авиалайнер по решению ИКАО должен быть снабжен кислородными дыхательными системами высокого  давления. Эксплуатируемые на сегодня стальные баллоны, применяющиеся в отечественных самолетах в системах жизнеобеспечения, пневмоприводов и пожаротушения, имеют неудовлетворительные весовые характеристики и низкую взрывобезопасность.

Представленная  работа ориентирована на создание  методов расчетно-экспериментальной оценки ресурсных характеристик авиаконструкций из КМ, основанных на нелинейной теории накопления и суммирования повреждений, что определяет её актуальность, значимость и практическую ценность.

При написании диссертации автор ставил своей  целью  разработать и усовершенствовать практически реализуемые методы расчетов основных характеристик долговечности авиаконструкций из КМ для обеспечения  безопасной эксплуатации ВС. Исходя из поставленной цели, была определена структура диссертационной работы  и сформулированы  основные задачи:

- уточнить методику  оценки долговечности и остаточного ресурса элементов АТ из КМ при эксплуатационных режимах нагружения, которая наиболее соответствует физике деформирования и разрушения композитов;

- уточнить методику расчета динамической устойчивости оболочек сетчатой структуры из КМ, моделирующих отсек фюзеляжа;

- на основе анализа технического состояния элементов конструкций из КМ и их дефектов, выявленных на ВС, предложить рекомендации по ремонту поврежденных агрегатов;

- экспериментально оценить статическую прочность и циклическую долговечности образцов материалов и элементов авиаконструкций из КМ, для прогнозирования эксплуатационного ресурса и проверки адекватности предлагаемых расчетных моделей;

- разработать  баллоны  систем жизнеобеспечения, пневмоприводов и пожаротушения из КМ с меньшим весом по сравнению с металлическими аналогами и, в то же время, отвечающие требованиям ИКАО по безопасности авиаперевозок;

- предложить новую технологию изготовления соединений «КМ-металлоконструкции»

Автором получены следующие основные результаты, выносимые на защиту :

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

- методика оценки долговечности и остаточного ресурса элементов АТ из КМ, учитывающая предысторию нагружения и основанная на нелинейной модели накопления усталостных повреждений;

- методика  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  металло-композитные баллоны высокого давления с тонкостенным сварным стальным или титановым лейнером, раскрепленным с оптимально спроектированной силовой оболочкой из высокопрочного углеволокна,  для снабжения гражданских ВС кислородными дыхательными системами.

Достоверность полученных результатов  подтверждена корректным использованием математического аппарата, применением адекватной для КМ  нелинейной теории механики деформирования и разрушения, результатами тестовых проверок и 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 авиаконструкций из КМ на стадиях проектирования и эксплуатации;

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

Основные положения диссертационной работы  внедрены в ОАО «Туполев» для ремонта руля направления магистрального самолета с использованием неразъемного соединения и установки кронштейнов подвески элеронов самолета Ту-204; в  ОНИЛ-15 МГТУ ГА для обоснования режимов нагружения при экспериментальных исследованиях; в учебный процесс при выполнении выпускных квалификационных работ студентами специальностей 160900 «Эксплуатация и испытания А и КТ» и 160901  «Эксплуатация ЛА и Д» и в курсе лекций  по дисциплинам «Повреждаемость и живучесть ЛА и АД»  и «Перспективные композиционные материалы в конструкциях А и КТ» для магистрантов специальности 160900 МГТУ ГА.

Апробация работы.  По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, 3 из которых включены в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования. Получены 2 патента на изобретения. 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 они докладывались на расширенном научно-техническом семинаре кафедры «Двигатели летательных аппаратов» МГТУ ГА.

По своей  структуре, содержанию и объему  диссертационная работа соответствует поставленным задачам и состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка использованных источников. Диссертация изложена на 220  печатных листах текста, содержит 99 рисунков, 15 таблиц     Библиографический список насчитывает 265 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ   РАБОТЫ

Во введении  подчеркнута и обоснована актуальность темы исследований.

В первом разделе  рассмотрены особенности применения КМ в конструкциях современных ВС и состояние проблемы по оценке  их ресурсных характеристик. Проведен анализ эксплуатационных повреждений элементов ВС из КМ на  основе статистических данных. Сформулированы цели и задачи исследований.

В частности подчеркнуто, что при проектировании современных ВС наблюдается тенденция роста весовой доли КМ как в конструкции планера, так и в конструкции авиадвигателя. Даже применение КМ  в слабо и средненагруженных элементах (элероны, интерцепторы, рули и т.д.), не являющихся критическими по условиям безопасности полетов, позволило снизить вес этих агрегатов в среднем на 25%. Приведены перспективы использования  КМ в элементах планера конструкции, в деталях авиационных газотурбинных двигателей, при восстановительном ремонте авиаконструкций.

Показано, что основные эксплуатационные разрушения происходят в зонах соединения  «металл-композит». Например, на самолете Ту-204 был зафиксирован срыв в полете участка обшивки руля направления. На самолетах Ил-86 наблюдаются  дефекты в виде отслоений обшивок сотовых элементов руля высоты и закрылков.

Анализ технического состояния и статистики разрушений элементов конструкций из КМ на ВС показал, что причинами возникновения дефектов являются:

- недостаточные ресурсные характеристики элементов;

- проникновение влаги в зоны стыка обшивки  металла с пластиком;

- уменьшение прочности склейки деталей вследствие нарушения технологии при изготовлении;