CC BY
37
УДК 629.7.017+ 620.22
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРОУСТАЛОСТНЫХ СВОЙСТВ ОТСЕКА НОСОВОЙ ЧАСТИ КРЫЛА ИЗ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
© 2012 В. И. Постнов \ М. В. Постнова 2, О. Ю. Мантусова1
Ульяновский научно-технологический центр Всероссийского института авиационных материалов 2Институт авиационных технологий и управления Ульяновского государственного технического университета
Рассмотрены результаты статических и акустических исследований авиационных конструкций из металлополимерных материалов марки Алор Д16/41 и сравнение их с серийными конструкциями из алюминиевого сплава.
Металлополимерные композиционные материалы
При интенсивной эксплуатации самолетов Ан-124-100 на коммерческих грузоперевозках были выявлены десятки случаев преждевременного разрушения алюминиевых обшивок отсеков носка крыла, находящихся в зонах с высоким уровнем виброаку-стических нагрузок до 156 дБ и динамическими напряжениями до 31^-34 МПа в резонансных режимах. Разрушения наблюдались при налётах от 204 до 740 часов при гарантированном сроке эксплуатации - 700 часов.
В отдельных случаях быстрое распространение и слияние усталостных трещин приводило к вырову отдельных кусков материала из обшивки (рис.1). На основании проведённого анализа статистики разрушений было установлено, что причинами их являются виб-роакустические воздействия. Предотвратить образование этих разрушений можно за счёт использования в авиационных конструкциях металлополимерных композиционных материалов (МПКМ).
Рис. 1. Разрушение элементов предкрылка
, статические испытания, акустические испытания.
Опираясь на проведённые исследования по отработке технологических процессов обтяжки, гибки, штамповки листов МПКМ был изготовлен носок носовой части крыла (НЧК) самолёта АН-124. Схема типового сечения фрагмента носка габаритом 1720x260x320 мм представлена на рис. 2.
то
1
92 93 94 95 96 9Ба 97 93 99 99°
Рис. 2. Общий вид отсека НЧК
Конструкция опытных отсеков из Ало-ра Д16/41 (рис. 3) состоит из конической обшивки одинарной кривизны с радиусом изгиба по передней кромке 25...30 мм с условно плоской нижней частью и верхней частью по аэродинамическому обводу носка. Обшивка 1 выполнена единым листом МПКМ толщиной 1,3 мм со структурой, показанной на рис. 4. На обшивку устанавливается усиливающий пояс 2, который выпол-
нен из МПКМ той же структуры. В перпендикулярном к передней образующей направлении обшивка подкреплена внутренним набором - носками нервюр, состоящими из листовых стенок 4 с отбортовками в отверстиях, и штампованными бортами и поясов 5 из прессованного профиля таврового и треугольного сечений, соединённых со стенками клёпкой. Обшивка и усиливающий пояс соединяются с поясами нервюр через слой клея ВК-27 заклёпочными соединениями. Усиливающий пояс введён для гашения колебаний, передающихся от находящейся в турбулентном потоке обшивки к стенкам носков нервюр. Сзади со стороны кессона крыла носок замыкается балкой, состоящей из листовой стенки 6, имеющей отбортованные отверстия облегчения. Стенка балки имеет с обеих сторон стойки 3 из прессованного профиля, которые спереди соединены со стенками нервюр носка, а сзади - с нервюрами носовой части. К стенке балки заклёпочными швами сверху и снизу крепятся пояса 3 из прессованного профиля таврового сечения, на полках которых стыкуются обшивка носка и обшивка носовой части крыла.
Рис. 3. Сечете отсека носка носовой части крыла из МПКМ:
1 - обшивка; 2 -усиливающий пояс; 3 - пояса;
4 - стенка нервюры; 5 - пояс нервюры; б - стенка балки; 7 - расположение предкрылка
S
Рис. 4. Структура МПКМ: 1 - лист Д1 бчАТВ толщиной 0,5 мм, 2 - ткань СВМ арт. 56313; 3 - клеевая пленка ВК- 41
Конструкция усиленного носка НЧК из Д16, как и для опытного отсека, состоит из конической обшивки с одинарной кривизной с радиусом изгиба по передней кромке 25-кЗО мм с условно плоской нижней частью и верхней частью по аэродинамическому обводу носка. Обшивка из листа Д16чАТ-1,2 подкреплена приклеенными клеем ВК-25 подкладными листами по стыкам с поясами нервюр и балки. В перпендикулярном к передней образующей обшивка подкреплена внутренним набором - носками нервюр, состоящими из листовых стенок с вырезами, окантованными прессованным уголковым профилем, и поясов из прессованного профиля таврового сечения, соединённых со стенками клепкой. Обшивка и подкладные листы соединяются с поясами носков нервюр заклёпочным соединением. Сзади, со стороны кессона крыла, носок замыкается балкой, состоящей из листовой стенки и стоек из прессованного профиля.
Испытания отсеков НЧК проводились в соответствии с программами, утверждёнными разработчиком самолёта. При статических испытаниях аэродинамическая нагрузка моделировалась с помощью парусиновых лямок и распределялась по верхней поверхности носка.
Нагружение осуществлялось через рычажную систему с помощью силовозбудите-ля. Нагрузка контролировалась электродинамометром по прибору типа КСМ (рис. 5). Общий вид монтажа отсека показан на рис. 6.
силоьой потолок ///////
И
Рис. 5. Схема статических и повторно-статических нагружений отсека НЧК
Испытания проводились в два этапа: первый - нагружение до максимальной эксплуатационной нагрузки (0,67Рр) с последующим разгружением и осмотром конструкции, второй - нагружение до расчётной разрушающей нагрузки (Рр=75,8 кН). В процессе испытаний осуществлялись замеры напряжений.
При испытаниях серийного отсека носка №1 до Рр=5,8 кН разрушений конструкции не произошло. В целях доведения конструкции носка до разрушения в 3 раза увеличена расчётная нагрузка. При повторном нагружении отсека носка №1 (Рр=17,4 кН) разрушений не произошло.
Опытный отсек носка №7, изготовленный из Алор Д16/41 нерастянутой структуры, испытывался на Рр=17,4 кН. При испытаниях разрушений не произошло. Конструкции испытанных отсеков представлены в
Рис. 6. Статические и повторно-статические испы- табл. 1. Результаты испытаний приведены в тания отсеков НЧК. Общий вид монтажа табл. 2-4.
Таблица 1. Распределение образцов по видам испытаний
№ п/п Конструкция отсека НЧК Вид испытания
1 Серийный отсек из Д16 Статические испытания
2 Повторно-статические испытания
3 Повторно-статические и акустические испытания
4 Акустические испытания
5 Акустические испытания
6 Акустические испытания
7 Опытный отсек из Алор Д16/41 нерастянутой структуры Статические испытания
8 Повторно-статические испытания Акустические испытания
9 Акустические испытания
10 Опытный отсек из Алор Д16/41 растянутой структуры Акустические испытания
11 Статические испытания
12 Повторно-статические испытания
13 Акустические испытания
14 Акустические испытания
Таблица 2. Результаты статических испытаний отсеков
№ отсека носка Наименование расчетного случая Расчетная нагрузка, Рр, кН Статическая прочность %л, Основные результаты испытаний
1 Равномерно распределенное нагружение 5,8 340 Без разрушений
17,4 344 То же
7 То же 17,4 385 То же
11 То же 17,4 378 Разрушение стойки
Таблица 3. Распределение напряжений в отсеках НЧК при статическом нагружении
№ отсека носка Схема нагружения № роз. Напряжения в отсеках Е [ЧК, МПа
С*тах Фтіп ^тах
1 случай 1 1 3,3 1,3 5
2 1 -0,1 0,6
случай 2 1 -44,4 22,9 33,7
2 4,2 0 2,1
случай 3 1 -58 32,2 45,1
2 6 -0,5 з,з
7 случай 2 1 -4,2 -19,7 7,8
2 2,3 0,7 0,8
случай 3 1 -3,5 -27,7 12,1
2 2,9 -0,6 1,2
11 случай 2 1 12,3 -1,3 6,8
2 2,6 -0,5 1,5
случай 3 1 18,3 -5 11,7
2 3,9 -1,2 2,6
ПРИМ ЕЧАНИЕ: случай 1 - нагружение до 67% при/’р=5,8кН,
случай 2 - нагружение до 67% при .Рр=17,4кН, случай 3 - нагружение до 100% при Рр= 17,4кН
Таблица 4. Распределение напряжений в отсеках НЧК при статическом нагружении
№ отсека носка Схема нагружения Напряжения по поверхности отсеков в зонах датчиков, МПа
9 10 11 12
1 случай 1 2,3 4 -зд -4,3
случай 2 6Д 14,2 -14,3 -18,9
случай 3 8,2 20,5 -21,7 -29,1
7 случай 2 4,6 13,9 -15,8 -18,6
случай 3 7,5 20,6 -24,6 -28,4
11 случай 2 6,3 17,8 -21,7 -22,3
случай 3 9,6 25,8 -32,5 -33,8
ПРИМЕЧАНИЕ: случай 1 - нагружение до 67% при/’р=5,8кН, случай 2 - нагружение до 67% при 7^=17,4кН, случай 3 - нагружение до 100% при Рр= 17,4кН
Анализ напряжений показал, что препарированные зоны конструкции серийных и опытных отсеков мало нагружены применительно к нагрузкам испытаний. В поясах балки напряжения не превосходят по абсолютной величине 35 МПа, а по обшивке 60 МПа (для серийного отсека). При этом наблюдается относительно высокий уровень касательных напряжений в обшивке серийного носка - 45 МПа. Для опытных носков из МЕ1КМ касательные напряжения в 3 раза ниже, чем в серийных.
При повторно-статических испытаниях отсеков носка НЧК было проверено 4 носка. На выносливость испытывались серийные
отсеки носка №2, 3 и опытные отсеки носка №8 из Алор Д16/41 нерастянутой структуры, №12 - растянутой структуры.
После наработки 100 тыс. циклов в конструкции носка №2 разрушения не произошло. С целью доведения конструкции до разрушения, нагрузка была увеличена в 3 раза и все остальные отсеки испытывались при максимальной нагрузке цикла Р=8,7кН. После наработки 150 тыс. циклов испытания прекращены. В конструкции отсеков носка №2, 3, 8, 12 разрушений не произошло, микротрещины не отмечены. Результаты испытаний приведены в табл. 5.
Таблица 5. Результаты повторно-статических испытаний отсеков НЧК
№ отсека носка Наименование расчетного случая Нагрузка при испытаниях Ру, кН Число программных циклов до разрушения Основные результаты испытаний
2 Равномерно распределенное нагружение 2,9 100000 Без разрушений
8,7 150000 Без разрушений
3 8,7 150000 Без разрушений
8 8,7 150000 Без разрушений
12 8,7 150000 Без разрушений
Из анализа результатов испытаний следует, что запас прочности во всех вариантах отсеков НЧК значительно превышает расчётные параметры и данный вид нагружения не является критичным для конструкций в составе крыла Ан-124-100. Кроме того, из этих испытаний видно, что конструкции отсеков перетяжелены в статическом отношении.
Акустические испытания отсеков проводились с целью сравнительной оценки усталостной долговечности опытных носков крыла из МПКМ с серийными фрагментами. Испытания отсеков проводились в ревербе-рационной камере (РК). Отсек вывешивался на амортизаторах перед рупором модулятора воздушного потока (МВП). Схема установки отсека в РК показана на рис. 7.
Рис. 7. Установка отсека в реверберационной камере: а - вид спереди, б - вид на стенку балки
Контроль за уровнем и спектром акустической нагрузки проводился в центре отсека носка со стороны обшивки микрофоном типа 4136 фирмы «Брюль и Къер». Для звукоизоляции внутреннего объёма отсеков при акустическом нагружении отверстия в стенке балки закрывались толстыми поролоновыми заглушками. При снятии амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) за отсеком ставилась демпфирующая стенка. Для определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) отсеки препарировались тен-зодатчиками (рис. 8).
Испытания показали, что наиболее нагруженной является нижняя поверхность отсека в клетках между нервюрами. Резко отличается форма АЧХ для исходного варианта от отсека, выполненного с применением Алора Д16/41. Так, если для исходного отсека №4 в пролёте между нервюрами 95 и 96 шп. максимальные напряжения в датчике №2 достигают 20,7 МПа на частоте 212 Гц, то в отсеках №9 максимальные напряжения возникают при резонансных частотах 232 Гц и 695 Гц, достигая 9,8 и 11,6 МПа, соответственно. В отсеке №13, выполненном из композиционного материала с растянутой при полимеризации структурой, максимальные
резонансные пики наблюдаются на частотах 252 и 760 Гц, причём напряжения на этих частотах достигают значений 6,1 и 17,7 МПа, соответственно. Тензодатчики на панелях №4, 9, 13, расположенные между нервюрами 98-99 и 94-95, показывают более сложную зависимостью напряжений от частоты возбуждения. Так, если для исходного отсека максимальные напряжения возбуждаются на частотах 540 и 322 Гц (вторая группа резонансов), то для отсеков, выполненных с использованием Алора Д16/41, максимальные напряжения возникают в первой группе резонансных частот. С ростом частоты возбуждения уровень напряжений снижается. Кроме того, датчики №3, установленные в пролёте между шпангоутами 98-9 на отсеках, выполненных с применением АлораД16/41, показывают более высокие напряжения в первой группе резонансных частот, чем на исходном отсеке.
8ид с£ерху
а/ те изо- * 4
дагчи/сод S
93 93 9ч
95
9S 96° 97 9f 99 59
Рис. 8. Схемы установки тензодатчиков
Ыизу
(Внутри ОФО-й )
Датчики, установленные на стенках нервюр, на всех вариантах отсеков показывают максимальные напряжения в первой группе резонансных пиков. Напряжения в отсеках, выполненных с применением Алора Д16/41, выше, чем в отсеках исходного варианта.
Акустические испытания серийного фрагмента №4 проводились на широкополосном спектре в полосе 63-П000 Гц с сум-
марным уровнем 156 дБ. Первоначальная длительность испытания составила 203 часа. С целью форсирования испытаний суммарный уровень нагрузки увеличили на 6дБ при неизменной форме спектра. Ресурсные испытания всех остальных фрагментов, как серийных, так и опытных, проводились при суммарном уровне акустических нагрузок 162 дБ. Результаты по продолжительности испытаний приведены в табл. 6.
Таблица 6. Результаты испытаний отсеков НЧК
Тип и № отсека Уровень акустических нагрузок, дБ Максимальные СКЗ напряжений, МПа Время до появления разрушений, ч. Характер разрушений Общая наработка, ч Примечание
1 2 3 4 5 6 7
4 156дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-16,9 В стенке нервюры 5,9 583 Разрушений нет 203 Согласно ТР от 18.12.89 испытания продолжены на режим 162 дБ
162дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-22,6 В стенке нервюры 11,4 Трещины в обшивке и в стенке нервюры №93 757 Время наработки приведено к режиму нагружения 156дБ
5 162дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-19 536 Трещина в стенке нервюры №96 882 Время наработки приведено к режиму нагружения 156 дБ
В стенке нервюры - 15,2 882 Разрушение обшивки и стенки нервюры №95
6 162дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-25,9 В стенке нервюры-14,9 410 Трещина в стенке нервюры №93 961 Время наработки приведено к режиму нагружения 156 дБ
961 Разрушение стенки нервюр 93, 96, 96а
3 162дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-22,4 63 Трещина в стенке нервюры 93 457 Отсек после по- вторно-статических испытаний. Время наработки приведено к режиму нагружения 156 дБ
В стенке нервюры-17,3 457 Разрушение стенки нервюры 93
В стенке нервюры-10,5 1781 Критическая трещина в обшивке вдоль нервюр 96а, 97
8 162дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-28,7 1292 Трещина в обшивке 1781 Отсек после по- вторно-статических испытаний. Время наработки приведено к режиму нагружения 156 дБ
Окончание табл. 6
1 2 3 4 5 6 7
9 162дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-26,8 489 Разрушение 2-х заклепок в районе крепления обшивки к нервюрам №94, 95 1261 Время наработки приведено к режиму нагружения 156 дБ
В стенке нервюры-16,1 1261 Критические трещины в обшивке в районе нервюр 94, 95, 99
10 162дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-25,5 2330 Трещина в обшивке вдоль нервюры 96а 2853 Время наработки приведено к режиму нагружения 156 дБ
В стенке нервюры-9,3 2712 Критические трещины в обшивке вдоль нервюр 96а, 95, 94, 93
13 162дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-22,1 В стенке нервюры-14,1 2550 Трещины в уголке крепления обшивки к нервюре 94 3860 Время наработки приведено к режиму нагружения 156 дБ
14 162дБ в полосе 80^ 1000Гц В обшивке-27,9 1420 Разрушение заклепки в районе крепления обшивки к нервюре 1720
В стенке нервюры-16,6 1720 Разрушение заклепок и трещина в районе крепления обшивки к нервюре 97
Контроль целостности конструкции отсеков проводился через каждый час наработки, а также перед началом и в конце испытаний.
Характерные разрушения элементов отсеков представлены на рис. 9-11.
Рис 9. Характер разрушения от акустических нагрузок стенки нервюры из алюминиевого сплава Д16чАТ 1,2.
Рис. 10. Разрушение клеезаклепочного шва обшивки из Алор Д16/41 толщиной 1,3мм нерастянутой структуры по низу нервюры при акустических испытаниях
Рис. 11. Разрушение заклёпок и микротрещины обшивки из Алор Д16/41 толщиной 1,3мм растянутой структуры
Таким образом, проведённые испытания показали, что ресурс отсеков из Алор Д16/41 по сравнению с отсеком из Д16 выше примерно в 4 раза. В процессе акустических испытаний в отсеках серийного варианта наблюдались разрушения стенок нервюр и обшивки на нижней поверхности, а в отсеках из МПКМ проходило разрушение заклёпок и обшивки, было установлено преимущество отсеков из МПКМ в 20-27 раз по сравнению с алюминиевыми при комплексной нагрузке (повторная статика и последующая акустика).
Таблица 7. Сравнительные результаты испытаний отсеков НЧК
Материал отсека Условия испытания Время, ч
До появления разрушения До конца разрушения
ДІбчАТ Акустические нагрузки 162 дБ в полосе частот 80^-1 ООО Гц 510 867
Алор Д16/41 2550 3350
ДІбчАТ Повторная статика трехкратной расчетной нагрузкой 150000 циклов с последующей акустической нагрузкой 162 дБ в полосе частот 80-1000Гц 63 457
Алор Д16/41 1580 1843
Акустические испытания (табл. 7) показали, что по ресурсу преимущество отсеков из МПКМ для нерастянутой структуры и отсеков из МПКМ растянутой структуры по сравнению с отсеками из Д16 составляет соответственно в 1,5 и 4 раза. Это подтверждает вывод о целесообразности применения МПКМ обеих структур в зависимости от требуемого для данной конструкции агрегата общего ресурса с целью обеспечения равно-ресурсности всех сборочных единиц, входящих в агрегат.
Библиографический список
1. Постнова, М.В. Металлополимерные композиционные материалы в авиастроении [Текст] / М.В. Постнова, И.А. Казаков // Прогрессивные технологи, материалы и кон-
струкции: Сб. научн. тр. - Ульяновск: 1999. -С. 119-124.
2. Постнова, М.В. МПКМ - новый класс материалов для виброакустически нагруженных конструкций [Текст] / М.В. Постнова // Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий: сб. междунар. традиционной науч.-техн. конф. - Волгоград: 1999. - С. 142-143.
3. Постнов, В.И. Исследование влияния напряженно-деформированного состояния на усталостные характеристики МПКМ [Текст] / В.И. Постнов, О.Ю. Арлашкина // Новые перспективные материалы и технологии их получения: сб. научн. тр. - Волгоград: 2010. -С. 183-185.
RESEARCH VIBRATIONAL FATIGUE PROPERTIES OF FORWARD WINGS BAY
MPKM
© 2012 V. I. Postnov1, М. V. Postnova2, O. Yu. Mantusova1
Ulyanovsk Science & Technology Center VIAM institute of Aviation Technology and Management of Ulyanovsk State Technical Universiry
The results of static and acoustic investigations of aircraft structures made of metal-grade materials Alor D16/41 and their comparison with serial structures of aluminum alloy.
Metal-polymer composite materials, static tests, acoustic tests.
Информация об авторах
Постнов Вячеслав Иванович, доктор технических наук, заместитель начальника, Ульяновский научно-технологический центра Всероссийского института авиационных материалов. E-mail: untcviam@viam.ru. Область научных интересов: композиционные материалы.
Постнова Мария Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Самолетостроение» Института авиационных технологий и управления, Ульяновский государственный технический университет. Область научных интересов: композиционные материалы.
Мантусова Ольга Юрьевна, инженер-технолог, Ульяновский научнотехнологический центр Всероссийского института авиационных материалов. E-mail: untcviam@viam.ru. Область научных интересов: композиционные материалы.
Postnov Vyacheslav Ivanovich, doctor of technical sciences, deputy chief of the Ulyanovsk Science & Technology Center VIAM. E-mail: untcviam@viam.ru. Area of research: Polymer composites.
Postnova Maria Vyacheslavovna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of "Aircraft", Institute of Aviation Technology and Management of Ulyanovsk State Technical Universiry. Area of research: Polymer composites.
Mantusova Olga Yurievna, a graduate student, engineer of Ulyanovsk Science & Technology Center VIAM. E-mail: untcviam@viam.ru. Area of research: Polymer composites.
