CC BY
93
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС
№ 130
УДК 621.193.013
КОНЦЕПЦИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ КОРРОЗИОННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛИСТОВОГО КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ДОПУСТИМЫХ РАЗМЕРОВ КОРРОЗИОННОГО ПОРАЖЕНИЯ
А.Н. ГРИШИН, А.В. ЛАПАЕВ, В.С. ШАПКИН
В статье проведен анализ усталостных испытаний в лаборатории образцов с эксплуатационной наработкой, вырезанных из обшивки фюзеляжа самолета Ту-154Б. Предложен подход к определению допустимого уровня коррозионного повреждения для обшивки фюзеляжа.
В настоящее время в эксплуатации при оценке коррозионного состояния ВС согласно требованию к ведению паспорта коррозионного состояния каждому коррозионному повреждению присваивается уровень коррозионного повреждения:
1 уровень - коррозия носит поверхностный характер, уменьшение сечения (толщины) элемента конструкции не превышает допустимое значение (учитывается глубина зачистки при проведении всех предыдущих форм восстановления в рассматриваемой зоне при обслуживании самолета);
2 уровень - коррозия превышает пределы допустимой, требуется замена детали на 1-ю категорию - устранение дефекта производится в соответствии с ремонтной и эксплуатационной документацией;
3 уровень - коррозионное повреждение, характер которого может повлиять на безопасную эксплуатацию ВС, устранение дефекта может быть произведено только по согласованию с Разработчиком.
ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» определяет термин «предельное состояние». Сформулируем его применительно к конструкции воздушного судна (ВС).
Предельное состояние - состояние ВС, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.
Критерий предельного состояния - признак или совокупность признаков (описываемых параметрами) предельного состояния объекта, которые устанавливаются нормативнотехнической и (или) конструкторской (проектной) документацией.
Элемент конструкции с коррозионным повреждением 1-го уровня после зачистки и восстановления лакокрасочного покрытия по ЛТР допускается к дальнейшей эксплуатации. Для количественной оценки параметров предельного состояния элементов конструкций, имеющих коррозионные повреждения 2-го и 3-го уровня, предлагается использовать обобщенный параметр коррозионного повреждения.
Для обоснования и получения количественных значений параметров предельного состояния элементов конструкций ВС, имеющих коррозионные повреждения 2-го и 3-го уровня, использовались результаты усталостных испытаний лабораторных образцов, вырезанных из обшивки фюзеляжа в районе стр. 10, шп. 35-36 (материал Д16АТ) самолета Ту-154Б, имеющего эксплуатационную наработку 44677 л.ч. 14888 пол. СНЭ, 10300 л.ч., 3151 пос. ППР, срок службы 24 года.
Направление продольной оси образца расположено вдоль проката. Коррозионный дефект имел тип локального коррозионного поражения. Вид коррозии контролировался металлографи-
ческим способом по шлифам в поперечном направлении образца. Испытания проводились при отнулевом цикле нагружения, при уровнях напряжений ° 1 = 120 МПа и ° 1 = 135 МПа.
В результате испытаний зафиксировано число циклов нагружения N до образования сквозной трещины от коррозионного поражения и число циклов N до разрушения образца. Регистрация момента образования трещины выполнялась с помощью видеокамеры при достижении длины трещины до 1 мм (Допускаемые размеры трещины согласно МОС 25.571 - «Рекомендуемые размеры начальных производственных дефектов для тонких листов К2 мм» для сквозных трещин с двух сторон отверстия составляют 0,5 мм).
В качестве размера, характеризующего коррозионное поражение, рассмотрены два параметра:
1. Относительный объем корродированного материала У'.{д:
Кб =
еі б
В • В • ї
где ¥.ід - объем корродированного материала;
В - ширина образца; ї - толщина образца.
2. Относительная глубина коррозионного поражения к'пд :
,/ Пеід
п.., =--- ,
еіб ї ’
где Пкор максимальное значение глубины коррозионного поражения.
На рис. 1-4 представлены регрессионные зависимости логарифма числа циклов N до образования сквозной трещины от коррозионного поражения и логарифма числа циклов N до разрушения образца как функции логарифма параметра коррозионного поражения ¥'~д и И'.ід. На
рисунках указаны уравнения регрессии, коэффициенты корреляции г исследуемых величин и 95%-я доверительная область к каждой регрессионной зависимости [1, 2].
5,8
5.6
5.4
5.2
5.0 4,8
4.6
4.4
4.2
4.0
' ч ,,
'с с V 4 5 С:х
-с-
чЛ ^ и
*8 ■в е
чк.;ч.>
Ж: г = "ж: г -0,96, _одЫ' = -0,95, _одЫ = 2,832 - 1,51 = 3,219 - 1,3С 4*LogV' 3*_одУ
-1,8
-1,6
-1,4
1_одУ
-1,2
-0,8
Рис. 1. Эмпирические линии регрессии логарифмов параметра коррозионного дефекта У'.1д, числа циклов N до образования сквозной трещины от коррозионного дефекта, числа циклов N до разрушения образца при 0^° 1 = 120 I 1а и границы 95%-й доверительной области (штриховые линии)
2
5.6 5,4
5.2
5.0
Ъ 4,8
£ 4,6 ^ 4,4
4.2
4.0 3,8
3.6
-2,2 -2 -1,8 -1,6 -1,4 -1,2 -1 -0,8
LogV'
Рис. 2. Эмпирические линии регрессии логарифмов параметра коррозионного дефекта У!.д , числа циклов N до образования сквозной трещины от коррозионного дефекта, числа циклов N до разрушения образца при СХ01 = 135 I I а и границы 95%-й доверительной области (штриховые линии)
5,8
5.6
5.4
5.2
г
0 5,0
1 4,8
4.6
4.4
4.2 4,0
-1 -0,9 -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0
Logh'
Рис. 3. Эмпирические линии регрессии логарифмов параметра коррозионного дефекта И'16, числа циклов Ы' до образования сквозной трещины от коррозионного дефекта, числа циклов N до разрушения образца при СХ01 = 120 I I а и границы 95%-й доверительной области (штриховые линии)
5.6
5.4
5.2
5.0
- 4,8
г го
| 4,6
4.4
4.2
4.0 3,8
3.6
-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0
Logh'
Рис. 4. Эмпирические линии регрессии логарифмов параметра коррозионного дефекта И'16, числа циклов Ы' до образования сквозной трещины от коррозионного дефекта, числа циклов N до разрушения образца при СХ01 = 135 I I а и границы 95%-й доверительной области (штриховые линии)
^ ^ -ч.В Г- V V
СХ. в
' N X4 .. X4 о.
\ Ч
4. , :Чч 1 \
Ч;.' -
г = -0,949; LogN '= 3,578 - 1,841*Logh' г = -0,954; LogN= 3,859 - 1,554^одЬГ
""в- \
4 Ч,4
Полученные результаты позволяют построить расчетные кривые усталостной долговечности для интересующего размера коррозионного поражения рассматриваемого типа.
На рис.5 и рис.6 приведены кривые усталости для момента разрушения образцов с концентраторами напряжений в виде коррозионного поражения и в виде круглого центрального отверстия.
10'--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1 -103 1 -104 1-105 1 -106 1 -107
К, циклов
Рис. 5. Диаграммы а — N — У'пд —К^б при отнулевом цикле нагружения для определения К^б относительно базовой кривой усталости образца с центральным отверстием (материал Д16АТ)
1 -103 1 -104 1 -105 1 -106 1 -107
К, циклов
Рис. 6. Диаграммы а — N — И'..д — К^б при отнулевом цикле нагружения для определения К^б относительно базовой кривой усталости образца с центральным отверстием (материал Д16АТ)
Наличие концентраторов напряжений в м атериале уменьшает усталостную прочность материала. Это влияние оценивается эффективным коэффициентом концентрации напряжений К^б, который равен отношению циклических напряжений для образца материала без концен-
трации напряжений (гладкого образца) к напряжениям для элемента конструкции или образца с концентратором напряжений при равных базах испытаний [3]. Кривые усталости аппроксимировались зависимостью 1§N = с — т■ ^а (где с, т - параметры). Таким образом, для оценки долговечности элемента конструкции с коррозионным дефектом используется кривая усталости, которая соответствует значению параметра, обнаруженного коррозионного поражения.
На основе расчетно-экспериментальных кривых усталости построены зависимости значений эффективного коэффициента концентрации напряжений от параметров описывающих коррозионное поражение К эф = /(У'ёд ) и К эф = /(И'Г1д) (рис. 7, рис. 8).
V
* кор
Рис. 7. Зависимость К^д от V'ëi6 для образцов из материала Д16АТ с коррозионным дефектом
И’
п кор
Рис. 8. Зависимость К^д от к'тд для образцов из материала Д16АТ с коррозионным дефектом
Сопоставим полученные результаты для выбранных параметров. Определим косвенно допустимую глубину коррозионного поражения через параметр [ Vë¡д ]:
^ад. = ^тд. ' ^ёгд. ^ [^етд.] = 0,5 ** ;
$ё!д - среднее значение площади поверхности рассматриваемых коррозионных поражений.
Согласно РТЭ допустимое значение глубины зачистки коррозионных поражений на обшивке фюзеляжа переднего багажного отделения составляет 0,15 мм. Этому значению будет соответствовать некоторое значение К^б 1 (рис. 7, 8). Полученные результаты вычислений сведены в табл. 1.
Таблица 1
Допустимые значения параметров рассматриваемых типов коррозионных поражений
для сплава Д16АТ
Величина допустимого значения коррозионного дефекта Величина допустимого значения коррозионного дефекта в размерном виде Критерий допустимости
[ К6\ У [ (Множитель 1=1.4 мм) [ ^-д.] (Множитель Б*Б*1=1260 мм3)
0,11 0,017 0,15 мм 21 мм3 Ку*1 По РТЭ
0,402 0,064 0.56 мм 80 мм3^Ь=0,5 мм 3 По разрушению
Для принятой классификации уровней коррозионного поражения количественные параметры повреждений и значения эффективного коэффициента концентрации напряжений принимают вид (табл. 2).
Таблица 2
Градация уровней коррозионного поражения для сплава Д16АТ
Уровень коррозионного поражения Диапазон значения коррозионного поражения в безразмерном виде Диапазон значения коррозионного поражения, мм (мм3) Ку6
1 уровень 0< ^.<0,11 0<<0,017 іл 0, <. < 0 21 <. < 0 К,б < к„ 1
2 уровень 0,11<И'~д <0,402 0,017< ¥'Ид <0,064 0,15< Ьшд <0,56 21< ^-д.<80 К,б 1 < К,6 < 3
3 уровень С. >0,402 С. >0,064 \-д>°-56 ^-д.>80 К,6 > 3
Выводы
1. На основании расчетно-экспериментальных исследований предложена концепция оценки усталостной прочности типовых элементов конструкции с локальными коррозионными дефектами.
2. Получены допустимые значения параметров, характеризующих коррозионные повреждения соответствующего уровня коррозии на примере обшивки фюзеляжа самолета Ту-154, для которых установлены допустимые значения эффективного коэффициента концентрации напряжений.
3. Для описания рассматриваемых коррозионных поражений параметр ¥~д является более предпочтительным, по сравнению с параметром к'пд - глубиной коррозии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Высшая школа, 1998.
2. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний / Справочник. -М.: Машиностроение, 1985.
3. Воробьев А.З., Олькин Б.И., Стебенев В.Н. Сопротивление усталости элементов конструкций. - М: Машиностроение, 1990.
THE CONCEPT OF DEFINITION OF A LEVEL OF CORROSION DAMAGE OF A SHEET CONSTRUCTIONAL MATERIAL ON THE BASIS OF A SETTLEMENT-EXPERIMENTAL ESTIMATION OF THE ADMISSIBLE SIZES OF CORROSION DEFEAT
Grishin A.N., Lapaev A.V. , Shapkin V.S.
In article the analysis of fatigue tests is lead to laboratories of samples with the operational operating time, cut out of a covering of a fuselage of plane Tu-154B. The approach to definition of an admissible level of corrosion damage for a covering of a fuselage is offered.
Сведения об авторах
Гришин Андрей Николаевич, 1957 г.р., окончил МИИГА (1983), заместитель главного конструктора ОАО "Туполев", автор 11 научных работ, область научных интересов - техническая эксплуатация самолетов Ту-154, Ту-134.
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.
Шапкин Василий Сергеевич, 1961 г.р., окончил МИИГА (1984), доктор технических наук, Генеральный директор ГосНИИ ГА, эксперт федеральной службы по надзору в сфере транспорта Минтранса России, Межгосударственного авиационного комитета, профессор кафедры АКПЛА МГТУ ГА, автор более 160 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
