авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Эксплуатационная долговечность элементов авиаконструкций из композиционных материалов

-- [ Страница 2 ] --

На основе разработанной модели накопления повреждений предложена методика выбора режимов эквивалентных ускоренных испытаний. В качестве критерия эквивалентности режимов выбрано равенство мер поврежденности перед последним этапом (ступенью) нагружения или равенство ресурсов на последнем этапе нагружения. Рассмотрены примеры определения остаточного ресурса и выбора режимов эквивалентных ускоренных испытаний.

В четвертом разделе приведены примеры практического применения предложенных в диссертации оценок прочности элементов авиаконструкций из КМ.

Предложенная в разделе 3 модель оценки остаточного ресурса и результаты испытаний были использованы в ЦНИИСМ для расчета натурного элемента конструкции самолета Ил-114, экспериментального отсека фюзеляжа, выполненного методом непрерывной намотки углеродных волокон на оправку с уложенными на ее поверхность эластичными материалами. В результате была получена оребренная конструкция (типа вафельной металлической) с развитыми по высоте подкрепляющими элементами, которые можно оптимально ориентировать по направлению векторов главных напряжений, что позволяет значительно (до 40%) снизить вес, отказаться от традиционной шпангоутно-стрингерной структуры конструкции, а также рационально менять по длине жесткость и прочность в соответствии с изменением внешних нагрузок.

Учитывая перспективность применения сетчатых конструкций в авиационной технике, были продолжены работы по совершенствованию методик расчета и проведению экспериментальных исследований.

Большое практическое значение для изделий АТ имеет динамический расчет оболочек, когда сжимающая сила является периодической функцией времени. Возникающие при этом колебания носят характер параметрических, имеют своеобразные черты, существенно отличающие их от обычных вынужденных колебаний. В то же время, в зависимости от характера колебаний, они могут быть динамически устойчивыми или нет.

В представленной работе рассмотрена задача о нагружении сетчатой структуры из КМ периодически изменяющимися тангенциальными силами с малыми амплитудами, приложенными в срединной поверхности. В таком случае (при определенных соотношениях между частотой приложенной нагрузки и частотой собственных колебаний ), начальная форма оболочки становится динамически неустойчивой. Ставится цель определить границу первой области неустойчивости оболочки сетчатой структуры.

Для решения данной задачи разработана методика расчета динамической устойчивости оболочек сетчатой структуры из КМ. Для оценок нижней k1 и верхней k2 границ неустойчивости предлагаются соотношения:

, (4)

, (5)

где R – радиус оболочки; ее толщина; - плотность КМ; - угол ориентации ребер по отношению к оси оболочки; - коэффициент Ламе; h – высота ребра; a – шаг подкрепляющих элементов; Е – модуль упругости КМ.

Проведенный в представленной работе анализ показал, что основными причинами возникновения повреждения являются: естественное старение материалов, недостаточная прочность склейки, нарушение технологии при изготовлении, недостаточная межслоевая прочность пластика.

Как было указано выше, основными эксплуатационными повреждениями самолетов ГА являются дефекты соединений «композит-металл». В частности на самолетах ТУ-204 зафиксирован отрыв законцовок руля высоты и направления.

В связи с этим в диссертационной работе разработана конструкция и технология изготовления оригинального варианта соединения металл-композит с внедренными в металл и пластик в процессе формования последнего (до отверждения) крепежными элементами, которые не нарушают структуру армирования композита, обеспечивая монолитность стыка. Разработана методика оптимизации параметров такого соединения, представляющая собой многопараметрическую экспериментально-теоретическую задачу, сочетающую рациональным образом экспериментальные и аналитические подходы. Параметры соединения подбираются из условия равнопрочности стыка в ослабленном сечении, смятию и срезу пластика, а также срезу силовой точки. При этом учитываются особенности соединяемых материалов из условия обеспечения рационального подбора параметров соединения. Приведены результаты сравнительного анализа результатов расчетов и соединений других типов с данными специально проведенных испытаний соединений. Показано, что предлагаемый вариант соединения выгодно отличается от винтовых и заклепочных с аналогичными геометрическими параметрами:

- отсутствует эксцентриситет приложения нагрузки:

- отсутствует повреждение армирующих волокон, чем обеспечивается более высокая прочность по ослабленному сечению;

- снижается концентрация напряжений у границ силовой точки;

- наличие беззазорного сопряжения ослабляет действие ударных нагрузок и снижает вероятность усталостного разрушения.

Теоретические расчеты подтверждены экспериментом. Разрушающая нагрузка конструкции с радиальными штифтами, установленными в процессе намотки, в среднем на 17% выше, чем у аналогичного заклепочного соединения. Предлагаемый вид соединения рекомендован в ОАО «Туполев» для ремонта дефектных рулей направления и крепления кронштейнов подвески элеронов самолета Ту-204/120.

В этой же главе приведены результаты экспериментальных исследований усталостных характеристик КМ при режимах нагружения, эквивалентных эксплуатационным. Сформулированы требования к испытательному оборудованию и алгоритмам моделирования случайных нагрузок. Для практически важной номенклатуры КМ (стекло, органо- и углепластики) проведены исследования по влиянию асимметрии цикла, частоты нагружения, угла армирования на долговечность. Построены диаграммы предельных амплитуд и кривые выносливости органопластика «Армос» и углепластика УКН-5000. На рис. 2 показана диаграмма усталостной долговечности стеклопластика СВМ на связующем ЭХД в практически важном для ВС ГА диапазоне изменения нагрузок. Там же дается сопоставление эксперимента с результатами расчетов по предложенной методике. Приведенные данные свидетельствуют, что расчеты по традиционной и предлагаемой методикам практически совпадают в диапазоне 102... 105 циклов. В области малого и большого числа циклов расчеты по предлагаемой методике дают более точные результаты. Поскольку для элементов конструкций ВС ГА характерно многоцикловое нагружение, именно в этой области уточнение расчетов имеет принципиальное значение (особенно при продлении ресурса).

Наряду с испытаниями образцов из КМ были проведены прочностные исследования остаточного ресурса элементов узлов стыка отсека фюзеляжа Ил-114. Экспериментальные исследования включали в себя испытания на долговечность и остаточную статическую прочность. Результаты испытаний приведены на рис. 3 и свидетельствуют о достаточной усталостной прочности конструкции узлов стыка.

Рисунок 2 – Диаграмма усталостной долговечности органопластика СВМ

Рисунок 3 – Диаграмма узла стыка корпуса

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

V3 дм3 Pраб МПа Масса, кг и удельный вес баллонов производства
ЗАО «САФИТ» m /V Зарубежные производители m /V
45 23,0 10 0,22 18 EDO 15,6 NASA 20 Dynеtek 0,40 0,35 0,45
60 23,0 15 0,25 19,2 EDO 24 Lincoln Composites 22 Dynеtek 0,32 0,40 0,37
20 32,0 6,2 0,31 ______ __
6,8 30,0 2,2 0,32 3,8 Luxfer 3,8 SCI 3,6 MCS 0,56 0,56 0,53
2,0 30,0 0,95 0,47 1,6 Luxfer 1,6 SCI 0,8 0,8

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

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

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

Количество спиральных жгутов ns определялось из условия:

ns = (P0 KP d2) / (4Т cos ok), (7)

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

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.



Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.