Эксплуатационная долговечность элементов авиаконструкций из композиционных материалов

В пятом разделе   приведены результаты разработки конструктивно-технологических решений по созданию металлокомпозитного баллона для обеспечения авиалайнеров кислородными дыхательными системами.

В работе предлагается принципиально новый вид конструкции комбинированного металлопластикового баллона давления.

Металлический лейнер и силовая оболочка в предлагаемом баллоне раскреплены между собой, и в лейнере не возникают высокие напряжения и деформации. Это обстоятельство, во первых, позволяет баллонам выдерживать большое число циклов «нагрузка-разгрузка», т.е. значительно увеличить его эксплуатационный ресурс. Во вторых, отсутствие напряжений и деформаций в лейнере позволяет изготавливать его со сварными швами, что значительно удешевляет конструкцию. В третьих, отсутствие деформаций в лейнере позволяет оптимизировать схему намотки силовой оболочки, не лимитируя её жесткостные характеристики. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики баллонов различной емкости.                                                                                       

                                                                                                       Таблица 1

Проектные параметры цилиндрической части баллона выбирались по несущей способности армирующего жгута. Угол армирования φoi  на экваторах днищ определялся из условия геодезического  расположения жгута армирующего материала по поверхности днища:

                                        φoi = arc sin (doi /d),                                           (6)

где d01,d02 – диаметры полюсных отверстий переднего и заднего днища.

Количество спиральных жгутов ns определялось из условия:

                               ns = (πP0 KP d2) / (4Т cos φok),                                   (7)

где P0 – внутреннее рабочее давление; KP – коэффициент безопасности; d – внутренний диаметр цилиндрической части; T – разрывная нагрузка армирующего жгута ; φok – наиболее значение из φoi.

Количество кольцевых жгутов nk на единицу длины  определим из соотношения:

                                        Nk = Po Kp d / 2Т                                              (8)

Донные части силовой оболочки проектируются как оболочки вращения оптимальной формы, образующие которых определяются из условия совпадения траекторий укладки армирующего материала с траекториями главных напряжений. Формы днища в этом случае представляется вращением кривой, называемой в  литературе изотенсоидом,  описываемой с помощью эллиптических интегралов. При этом учитывается влияние металлического лейнера, т.е.  допускается, что пластические деформации в материале лейнера возникает только при достижении  разрушающего давления.

Приведены результаты проектирования и расчета на примере баллона ёмкостью 50 л. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие соответствие заданным эксплуатационным требованиям. Предложенные методики позволили создать универсальную технологию изготовления металлокомпозитных баллонов с весовыми и эксплуатационными характеристиками, превосходящими зарубежные аналоги по всем показателям.

ОСНОВНЫЕ  ВЫВОДЫ  ПО  РАБОТЕ

1. Проведен анализ эксплуатационных повреждений элементов конструкций АТ из КМ в результате которого выделены наиболее значимые причины появления дефектов: недостаточная прочность склейки вследствие нарушения технологии при изготовлении, проникновения влаги в зону среза обшивки из металла с пластиком и недостаточная эффективность методов неразрушающего контроля.

2. Разработана методика описания статической прочности и долговечности КМ при эксплуатационных режимах нагружения с учетом особенностей деформирования и разрушения композитов, а также инкубационного периода накопления повреждений, позволяющая дать уточненную оценку характеристик живучести конструкций АТ и КМ.

3. Разработана методика оценки остаточного  ресурса элементов АТ из КМ, учитывающая предысторию нагружения и основанная на нелинейной модели накопления усталостных повреждений, которая наиболее полно соответствует физике деформирования и разрушения КМ.

4. Разработана методика динамической устойчивости сетчатых оболочек из КМ, учитывающая дискретность подкрепления, которая аппробирована на примере экспериментального отсека фюзеляжа ВС Ил-114, позволяющая проводить проектирование сетчатых конструкций при действии нагрузок, переменных во времени.

5. Предложен новый метод соединения «металл-композит» отличающийся тем, что соединение выполнено с внедренными в процессе формования (до отверждения) в пластик крепежными элементами. Проведена оптимизация параметров соединения и приведены экспериментальные результаты испытаний образцов стыков.

6. Разработан комплекс конструктивнно-технологических решений, позволяющий создать  металокомпозитные 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   в 2 … 3 раза меньшего веса по сравнению со стальными аналогами и обеспечивающий соответствие требованиям ИКАО по безопасности авиаперевозок.

7. Разработаны методики испытаний КМ, проведены экспериментальные исследования долговечности КМ на  основе стеклопластиков ТС 8/3-250, Т1, Т42, ТСУ8/3-ВМ, органопластиков типа «Армос», углепластиков УКН-5000 на основе связующих типа ЭХД, составляющих основу применяемых в элементах АТ  из КМ.

8. Экспериментально получены усталостные кривые образцов материалов и элементов конструкций АТ из КМ, позволяющие  определить величину остаточного ресурса.

                          ОСНОВНОЕ  СОДЕРЖАНИЕ  ДИССЕРТАЦИИ

ИЗЛОЖЕНО  В  РАБОТАХ

1. И.К. Лебедев. Перспективы создания взрывобезопасных контейнеров для перевозки багажа авиапассажиров// Исследование характеристик элементов ГТД и некоторые вопросы технического обслуживания ГТД. М.: 1996. 4с.

2. В.А. Бунаков, И.К. Лебедев. Динамическая устойчивость оболочек сетчатой структуры из композиционных материалов// Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация ВТ и ремонт АТ». № 29, М.: МГТУ ГА, 2000. 6с.

3. И.К. Лебедев, К.Н.Лебедев, В.П.Исаев и др.Стекловолокнистые трубы нового поколения армпласт для нефтяной отрасли. Сибирский промышленник.№1,2002. 2с.

          4. И.К. Лебедев, В.В. Никонов. Определение остаточного ресурса и эквивалентных режимов испытаний элементов авиаконструкций из КМ// Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию гражданской авиации России. 17-18 апреля 2003 г., М.: МГТУ ГА, 2003.

5. К.Н. Лебедев, В.П. Исаев, И.К. Лебедев, А.В. Смирнов. Особенности использования композитных материалов для труб нефтяного сортамента// Нефтяное хозяйство, № 5, 2002. 2с.

6. И.К. Лебедев. Оптимизация варианта соединения авиационных конструкций из КМ и методика расчета его НДС// Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация ВТ и ремонт АТ. Безопасность полетов». №85, М: МГТУ ГА, 2005. 5с.

7. И.К. Лебедев. К.Н. Лебедев. Разработка новых технологий производства труб из высокопрочных композиционных материалов. 111 Международная конференция Газотранспортные системы: настоящее и будущее 27-28 октября 2009. Сборник докладов. М. Газпром-ВНИИГАЗ,    2010. 2с.

8. И.К. Лебедев Высокопрочные облегченные баллоны высокого давления для систем управления и жизнеспособности гражданской авиации// Научный вестник МГТУ ГА, серия «Эксплуатация ВТ и ремонт АТ. Безопасность полетов». № 134 (10). М.: МГТУ ГА, 2008. 5с.

9. И.К. Лебедев, Н.Г. Мороз, М.С. Рязаев, С.В. Лукьянец.  Лейнер баллона высокого давления// Патент № 2353851, 2008.

10. В.П. Исаев, И.К. Лебедев, К.Н. Лебедев. В.Н. Чернышев, И.А. Егоренков// Патент № 2375174. Способ изготовления изделия трубчатой формы. 2009.

                           Соискатель                                              Лебедев И.К.