CC BY
63
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС
№ 130
УДК 621.193.013
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ КОРРОЗИОННОЕ ПОРАЖЕНИЕ ЛИСТОВОГО КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ЕГО ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
К.Э. АКОПЯН, В.М. БАЙКОВ, С.В. БУТУШИН, А.В. ЛАПАЕВ, А.С. КОВАЛЕВСКИЙ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.
В статье проведен анализ усталостных испытаний лабораторных образцов, вырезанных из обшивки фюзеляжа самолета Ту-154Б. Выполнена оценка применимости допустимых значений параметров, характеризующих коррозионное поражение материала воздушного судна, на долговечность материала конструктивного элемента.
В процессе эксплуатации на конструкцию воздушного судна (ВС) действуют различные виды энергии. Можно выделить три основных источника воздействия:
действие энергии окружающей среды, включая человека, выполняющего функции оператора (по управлению и обслуживанию ВС);
внутренние источники энергии, связанные с рабочими процессами, протекающими при функционировании ВС;
потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях конструкции в процессе изготовления (остаточные напряжения) и накапливающаяся в процессе эксплуатации.
Действие механической, тепловой, химической, электромагнитной, биологической энергий (или их сочетаний) приводит к развитию физико-химических процессов разрушения, старения и изменения свойств материалов, возникновению повреждений деталей и элементов конструкции ВС.
Повреждение материала детали (изделия) - это отклонение его контролируемых свойств от начальных свойств, заданных в технической документации на изделие. Повреждение деталей приводят к потере их работоспособности (полной или частичной). Возникающие эксплуатационные повреждения элементов конструкции ВС носят необратимый характер.
Следует отметить, что в эксплуатационной технической терминологии часто используется термин «дефект», который не тождественен термину «повреждение».
Понятие дефект следует относить к результатам технологического процесса изготовления или восстановления изделий. Термин «дефект» является производной от процедуры поиска несоответствия состояния изделия требованиям технической документации на него средствами контроля (средствами дефектоскопии).
Наиболее опасными повреждениями для силовых (наиболее ответственных) элементов конструкции ВС, имеющих значительную эксплуатационную наработку, являются повреждения, связанные с коррозией и усталостью материала. В этой связи вопросы прогнозирования потери несущей способности элементов конструкции ВС остаются постоянно востребованными.
В данной статье приведены результаты исследования влияния размеров искусственного коррозионного поражения на долговечность образования сквозной усталостной трещины. Испытания проводились на образцах, вырезанных из обшивки фюзеляжа в районе стр. 10, шп. 3536 (материал Д16АТ) самолета Ту-154Б, имеющего эксплуатационную наработку 44677 л.ч. 14888 пол. СНЭ, 10300 л.ч., 3151 пос. ППР, срок службы 24 года.
Коррозионное поражение в виде сплошного очага имело фиксированный размер и находилось вне зоны конструктивного концентратора (отверстия).
В качестве размера, характеризующего коррозионное поражение, рассмотрены два параметра:
1. Относительный объем корродированного материалаV'.iö:
V' ^
в • в • г
где ¥Ид - объем корродированного материала, В - ширина образца, г - толщина образца.
2. Относительная глубина коррозионного поражения и.1д :
Ь' _ ^¿¡д
¿1д _ г ’
где Икор максимальное значение глубины коррозионного поражения.
В ходе испытаний фиксировалось количество циклов нагружения N - момент образования сквозной трещины (длиной 1 мм) от концентратора напряжений и число циклов N - момент разрушения образца. Наблюдение за образованием трещины и ее развитием выполнялось с помощью видеокамеры.
На рис. 1 и рис. 2 представлена экспериментальная зависимость относительной долговечности от значения величины параметра, характеризующего коррозионное поражение материала
образца, Ы _ I (Уё1д), N _ I (^е1д). Значение (Ы ) для концентратора - отверстие получе-
но по результатам испытания образцов при сґ
aööd о i max
100 І Ї а и принято постоянным.
Рис. 1. Зависимости величины Ы'/N от относительного объема корродированного металла У'.1д (при <7,
aööd о i max
120 І Ї а и s^di = 135 І Ї а )
Согласно работе [1, табл. 1] допустимый параметр коррозионного поражения [У~д ] < 0,064, [С ] < 0,402. Оценим допустимые значения параметров коррозионного поражения [ У'пд ] и [Ь'тд ] по критерию образования усталостной трещины длиной < 1 мм.
При [V'„ö ] = 0,064 (N
При [h’,ö ] = 0,402 Г N
eiö.
eiö.
=120І І а
=1201 І а
:0'73
:0,75 (N
eiö.
eiö.
=135І І а
=135І І а
'• 0,67
= 0,68.
0,21 а32 0,402
Рис. 2. Зависимости величины Ы'/N от относительной глубины и.1д коррозионного поражения (при 7^2°1 _ 120 I I а и 7^2° 1 _ 135 I 1а)
'Ы''
Соотношения I — | для обоих параметров коррозии У'.1д и Ъ'Ид близки (относительная
1 ё\ д.
разница составляет 2.5%, и 1.5%).
( Ы'
Нанесем на координатную плоскость I —
I N ,
полученные точки (рис 3).
ёгд.
а
СЗ
и
8
я
я
а
!з
Е
о
X
Л
ч
сЗ
2
к
о
«
сЗ
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0 0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Рис. 3. Изменение 7^°' и отношения N'/N при допустимом значении коррозионного поражения, полученное при испытании лабораторных образцов
С увеличением уровня нагружения образование сквозной трещины при коррозионном поражении происходит на более ранних стадиях.
( — Л
Линия I — I = 0,81 делит область значений по оси ординат на две зоны (рис.1, рис. 2):
IN ),дй.
| — | <(— | - образование сквозной трещины (размером < 1 мм) при коррозионном по-
I — )яд. V — Лда.
ражении будет происходить раньше, чем образование двусторонней трещины у центрального отверстия;
(—Л (—Л
I — I > I — I - образование сквозной трещины (размером < 1 мм) при коррозионном по-
I N )«д. V N )гда.
ражении будет происходить позже, чем образование двусторонней трещины у центрального отверстия.
Значение допустимого параметра коррозионного дефекта (по критерию разрушения) по оси абсцисс делит область так же на две зоны:
У тд < \yitcI ], < \й~д ] - величина коррозионного поражения по критерию усталостного раз-
рушения не опасна К^б < 3 (Кэф - эффективный коэффициент концентрации напряжений);
У'ид > \yitd ] , К-1д > [А~д ] - величина коррозионного поражения по критерию усталостного разрушения опасна К^д > 3 .
В этой связи можно выделить три зоны (рис. 1, 2):
(—Л
1 - зона, лежащая выше линии I — I = 0,81. Коррозионные повреждения с параметрами
I — )г д а.
у;и и Ь'пд, которые соответствуют этой зоне, образуя концентраторы напряжений, имеют значения эффективного коэффициента концентрации напряжений Кэф.<3 и по критерию разрушения менее опасны, чем отверстие. Для малых значений параметров коррозионного поражения трещина зарождается на ранних стадиях, развивается как эллиптическая поверхностная трещина и становится сквозной ближе к моменту разрушения образца.
2 - зона, лежащая ниже линии | — 1 = 0,81, с параметрами коррозии V~д < [у^ ],
V — ) гда.
И'..д < [й~д ] , в которой момент образования сквозной трещины будет зафиксирован ранее, чем
момент образования трещины допускаемых размеров у отверстия. При этом по критерию разрушения концентратор напряжений от коррозионного поражения имеет тот же уровень, что и отверстие (Кэф = 3).
3 - зона для больших коррозионных дефектов У'шд > [у'гд ] , к'тд > \й~д ] и удовлетворяющих неравенству | — | | — | - образование трещины наступает быстро, а её развитие
V — Л-д. V — )г д а.
происходит по типу сквозной трещины. По критерию разрушения данный коррозионный дефект является опаснее отверстия (Кэф >3).
Выводы
Полученные результаты экспериментальных исследований показывают, что существуют граничные значения параметров, характеризующих коррозионное поражение листового конструкционного материала, при которых:
1. Долговечность образования сквозной трещины (размером < 1 мм) и полная долговечность материала близки по значению (отличаются в пределах 20-15%) - это характерно для «малых значений» параметров коррозионного поражения.
2. Долговечность образования сквозной трещины и долговечность живучести материала с трещиной соизмеримы по величине - это характерно для «больших значений» параметров коррозионного поражения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лапаев А.В., Шапкин В.С., Ковалевский А.С. Концепция определения уровня коррозионного повреждения листового конструкционного материала на основе расчетно-экспериментальной оценки допустимых размеров коррозионного поражения / Статья в настоящем Научном Вестнике.
ESTIMATION OF INFLUENCE OF VALUES OF PARAMETERS, CORROSION DEFEAT OF A SHEET CONSTRUCTIONAL MATERIAL, ON HIS DURABILITY
Acopjan K.E., Baikov V.M., Butushin S.V., Kovalevskiy A.S, Lapaev A.V.
In article the analysis of fatigue tests of the laboratory samples who have been cut out from a covering of a fuselage of plane Tu-154B is lead. The estimation of applicability of admissible values of the parameters describing corrosion defeat of a material of an air vessel, on durability of a material of a constructive element is executed.
Сведения об авторах
Акопян Карен Эдуардович, 1966 г.р., окончил МИИГА (1993), технический представитель Авиакомпании ЮТЭЙР, автор 5 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта.
Байков Вячеслав Михайлович, 1946 г.р., окончил МГИ (1976), кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОНИЛ-15 МГТУГА, автор более 70 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика и прочность летательных аппаратов.
Бутушин Сергей Викторович, 1948 г.р., окончил МАТИ (1971), кандидат технических наук, старший научный сотрудник НЦ ПЛГВС ГосНИИ ГА, автор 94 научных работ, область научных интересов - механика и работоспособность технических устройств и машин.
Лапаев Артем Валерьевич, 1977 г.р., окончил НГТУ (2000), кандидат технических наук, начальник сектора ФГУП СибНИА им. С.А. Чаплыгина, автор 20 научных работ, область научных интересов -эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
Ковалевский Александр Сергеевич, 1939 г.р., окончил МАТИ (1970), заведующий ОНИЛ-15 МГТУ ГА, автор более 25 работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика и прочность летательных аппаратов.
