CC BY
124
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС
№103
УДК 621.193.013
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ С ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ КОРРОЗИОННЫМИ ПОРАЖЕНИЯМИ
А.В. ЛАПАЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.
В статье проведен обзор современных подходов к оценке коррозионных поражений на ВС в процессе эксплуатации и анализ состояния вопроса об оценке прочностных характеристик элементов конструкции планера ВС с коррозией.
На протяжении всего цикла развития гражданской авиации в эксплуатации остро стоит проблема коррозионных поражений элементов конструкции планера воздушных судов (ВС) и как следствие появление ряда задач, одна из которых - оценка прочностных характеристик элементов конструкции ВС с эксплуатационными коррозионными поражениями. Проблема коррозии неизбежна, как и проблема усталости в силу своей природы образования. При различных подходах к проектированию, современные самолеты имеют те же типы коррозионных дефектов, что и ВС, разработанные десятки лет назад.
Одной из объективных причин такого положения дел является недостаточное качество и вид распространяемой информации о техническом состоянии ВС, не позволяющей непосредственно использовать ее для решения конкретных задач поддержания летной годности. Зачастую специалист, занимающийся конкретной проблемой, сталкивается с трудностями своевременного получения исчерпывающей информации в форме, доступной для практического использования. Для качественного решения данной проблемы необходимая информация должна быть своевременно и доступным образом доведена до сведения специалистов во всем комплексе авиационных отраслей. Это будет возможным только тогда, когда все отрасли, имеющие отношение к авиационному транспорту, придут к общему пониманию в том, что такая большая проблема в эксплуатации, как коррозия, может быть решена только совместными усилиями. Когда информация будет мобильно передаваться по цепочке "Эксплуатант авиационной техники (АТ) - НИИ АТ - Разработчик АТ", тогда произойдет качественное изменение в существующей проблеме. Возможно это только на базе информационных технологий - САЬ8-технологий. Практическое решение в данном направлении уже ведется так, например, в сертификационном центре Межгосударственного авиационного комитета (МАК) и Научном Центре поддержания летной годности ВС НЦ ПЛГВС ГосНИИ ГА разработана и проводится развитие и внедрение единой информационноаналитической системы государственного мониторинга жизненного цикла изделий АТ [1].
За рубежом также уделяется большое внимание сбору информации по коррозионным дефектам авиационной техники. Международная организация ЕМАС предпринимает попытки создать на международной основе банк данных о коррозионном состоянии самолетов различных разработчиков [2].
Для борьбы с явлением коррозии на воздушном транспорте (ВТ) в России авиационные власти приняли ряд решений так, например, в 2001 году в целях поддержания летной годности, контроля и своевременного устранения коррозионных повреждений и обеспечения длительной эксплуатации самолетов типа ТУ-154, согласно приказа Министерства транспорта Российской федерации № 24.10-4ГА, введен в действие дополнительный типовой эксплуатационный документ "Технологическая инструкция по уходу и защите от коррозии самолетов типа ТУ-154 в эксплуатации". Указанием Федеральной авиационной службы России № 310-3 от 23.01.98 введено требование по созданию для каждого ВС паспорта коррозионного состояния, который включает в себя сведения обо всех коррозионных дефектах, обнаруженных на планере самолета.
В данной статье проведен обзор современных подходов к оценке коррозионных поражений на ВС в процессе эксплуатации и анализ состояния вопроса об оценке прочностных характеристик элементов конструкции планера ВС с коррозией.
По существующим нормам каждый тип ВС регулярно или по мере наработки подвергается контрольным осмотрам с целью выявления возможных дефектов или разрушений и организации ремонтно-
профилактических работ. Разрабатываются перечни мест конструкции планера и его элементов, подлежащие контролю при выполнении технического обслуживания в процессе отработки установленного ресурса для всех эксплуатируемых типов ВС. Такими местами могут быть зоны конструкции, критические по условиям усталостной прочности и коррозии, элементы функциональных систем ВС, отказ которых может привести к возникновению опасной ситуации в полете.
В ряде работ [3, 4, 5] проведен анализ информации о коррозионных поражениях полученной в рамках работ по техническому обслуживанию и ремонту (ТОиР) различных ВС: Ил-62, Ил-76, Ил-86, Ту-134, Ту-154, Як-40, Ан-12, Ан-24, Ан-26, Ан-10, Ил-18, Ту-104, указывающий на глобальность проблемы коррозии в авиации. Установлены некоторые закономерности появления отказов от образования коррозионных поражений. Специалистами ГосНИИ ГА предлагается подход к оценке коррозионного состояния ВС на основе классификации коррозии по четырем признакам: по механизму протекания коррозионного процесса, по характеру коррозионных разрушений, по зонам охвата коррозии и их взаиморасположению, по степени влияния на безопасность эксплуатации ВС. Принимая за основу данную классификацию коррозионных повреждений, предлагается методика оценки элементов конструкции планера самолетов. Назначаются уровни коррозии по системе рейтинга. Рейтинговая система основывается на оценке следующих факторов: трудности доступа к данной зоне; повторяемости повреждения в эксплуатации; степени опасности в зависимости от вида коррозии и ее геометрии; возможности постоянного контроля скорости развития коррозионно-усталостных повреждений; близости данного повреждения к соседним повреждениям, каждое из которых оценивается по тестовой системе баллов. В зависимости от суммарного количества баллов определяется система технического обслуживания или ремонта, предполагающая периодические осмотры или доработки конструкции в зависимости от степени тяжести коррозионных повреждений.
Преимущество представленной схемы заключается в простоте использования в процессе эксплуатации ВС, что особенно важно для эксплуатантов. С точки зрения оценки статической прочности и усталостной долговечности материала, подверженного коррозии, необходимо проведение испытаний и теоретического расчета, позволяющего оценить опасность того или иного типа коррозионного дефекта. С повышением требований к безопасности конструкции заключения, основанные только на информации накопленной за период эксплуатации парка ВС и не подтвержденные расчетом, становятся недостаточными для однозначности выводов, особенно при переходе к обслуживанию самолетов по техническому состоянию.
Требования, касающиеся усталости конструкции самолетов, сформулированы в нормах прочности России (АП-25), методах обеспечения соответствия МОС 25.571. В этих требованиях заложен принцип допустимого повреждения, согласно которому предполагается неизбежность наличия в конструкции металлургических, технологических и эксплуатационных дефектов, трещин. При этом допускается возможность их развития до возникновения предельного состояния, определяемого из условий силового нагружения конструкции и влияния факторов окружающей среды.
Задача обеспечения заданного уровня прочности конструкции решается комплексно на всех стадиях эксплуатационного цикла ВС путем применения прогрессивных методов проектирования и технологии производства, обеспечивающих высокий уровень усталостной долговечности и живучести конструкций; использования новых материалов, а также проведением работ по ТОиР, предусматривающих своевременное выявление коррозионных поражений и принятие мер по предупреждению возможного разрушения.
Исследованию влияния коррозионных дефектов на прочностные характеристики элементов конструкций и установления количественной взаимосвязи между характеристиками усталостной прочности элементов конструкций и параметрами коррозионных повреждений, встречающихся на воздушных судах в процессе эксплуатации, посвящено ряд работ.
Проведенный специалистами анализ по оценке влияния коррозионных поражений на прочностные характеристики показал неоднозначность выводов. В некоторых работах исследования проведены на образцах с искусственно нанесенными коррозионными повреждениями. Моделирование дефектов осуществлялось различными способами, а вид коррозионных поражений зачастую не подтверждался металлографическими исследованиями, поэтому практическая значимость данных работ ограничивается при-
вязанностью к конкретным видам поражений и тем объемам и режимам испытаний, который был для них проведен.
Наблюдается недостаточное количество экспериментальных данных об усталостных характеристиках элементов конструкций, пораженных проникающей вглубь металла коррозией (межкристаллитная, расслаивающая, транскристаллитная, щелевая) и их статистической оценкой. Предложенные способы нахождения предельного состояния элементов конструкции, пораженных локальной коррозией, основываются на зависимости долговечности от геометрических параметров дефекта. Недостаток таких подходов заключается в отсутствии интегральной характеристики дефекта, позволяющей более точно установить связь с долговечностью пораженной конструкции. Это существенно ограничивает использование результатов этих испытаний в эксплуатационной практике.
Можно заметить, что в настоящее время не существует единого подхода к нормированию коррозионных повреждений, основанного на изменении прочностных характеристик материалов. Недостаточно систематизированных экспериментальных данных о критериальных характеристиках типовых элементов конструкций с коррозионными повреждениями. Разрозненные экспериментальные данные и различные для разных типов ВС нормы допускаемых коррозионных повреждений, подтверждают сделанный вывод.
При этом нельзя сказать, что в нашей стране и за рубежом ощущается недостаток в методах оценки прочности элементов авиационных конструкций с коррозионными повреждениями. Однако точность прогноза предельного состояния элементов конструкции в этих методах остается недостаточной. Основная проблема заключается в том, что применяемые в этих моделях геометрические параметры коррозионных дефектов для прогноза долговечности являются достаточно грубыми и достижение необходимой точности прогноза может быть обеспечено только за счет введения интегральных характеристик коррозионных дефектов, полученных на основе расчетно-экспериментальных методов.
Таким образом, совершенствование расчетно-экспериментальных методов оценки влияния коррозионных поражений на прочность авиационных конструкций является комплексной задачей и требует использования системного подхода, учитывающего вероятностные и механические процессы развития коррозионных дефектов, анализа НДС, изучения прочностных характеристик материалов. В целом оценка конструкции под действием типового спектра нагружения должна показать, что катастрофического разрушения конструкции от имеющихся коррозионных повреждений не произойдет.
Выводы
Для решения проблемы обеспечения прочности элементов конструкции ВС при коррозионных поражениях необходимо:
провести систематизацию экспериментальных данных о характеристиках статической прочности и усталостной долговечности при коррозионных поражениях;
разработать расчетно-экспериментальные методики оценки усталостной долговечности элементов конструкций с коррозионными поражениями;
разработать методики оценки допустимого коррозионного поражения конструкции по критерию заданного уровня прочности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шапкин В. С., Кирпичев И. Г. Формирование информационно-аналитической системы государственного мониторинга жизненного цикла изделий авиационной техники. Воздушный транспорт июнь 2004.
2. Проблемы коррозии в современном авиастроении (по материалам открытой иностранной печати за 1970-1984 гг.): Обзор ЦАГИ № 672 / Составители: Куранов В.Н., Лебедева Л.А., Клочкова Н.Н., 1987.
3. Карлашов А.В. Влияние коррозионных сред на усталостную прочность и долговечность алюминиевых сплавов: Авто-реф. дисс. д-ра техн. наук. Киев: КИИГА, 1967.
4. Лапаев А.В., Сахин И.В. Некоторые вопросы оценки предельных состояний элементов авиаконструкций с коррозионными повреждениями Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС, 2003.
5. Громов М.С., Шапкин В.С. Проблемы поддержания летной годности воздушных судов со сроком службы более 20 лет. Эксплуатационная прочность и надежность авиационных конструкций: Сборник науч. тр. - М.:, МГТУ ГА 1996.
THE ANALYSIS OF THE MODERN APPROACHES TO AN ESTIMATION nPOHHOCTHbIX OF THE CHARACTERISTICS OF ELEMENTS OF DESIGNS OF AIR COURTS WITH OPERATIONAL
CORROSION DEFEATS
Lapaev A.V.
In the article the review of the modern approaches to an estimation of corrosion lesions on aircraft on-stream and analysis of a condition of a problem about an estimation of strength properties of elements of a plane with corrosion is conducted.
Сведения об авторе
Лапаев Артем Валерьевич, 1977 г.р., окончил НГТУ (2000), кандидат технических наук, начальник сектора "Исследование коррозионной и технологической прочности авиаконструкций" СибНИА имени С.А. Чаплыгина, автор 15 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
