CC BY
5
ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА (по отраслям) 05.02.22
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-68-71
М.М. Половин1, Е.В. Назаров2, Е.В. Журавлев2, Д.С. Шавелкин2
1 ПАО «Корпорация «Иркут»,
125315 Москва, Российская Федерация
2 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125080 Москва, Российская Федерация
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ КОЛЬЦЕВЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Аннотация. В связи с увеличением доли использования композиционных материалов в конструкции современных самолетов наиболее остро стоит вопрос подтверждения характеристик материалов при проведении их испытаний. В данной работе анализируются методы проведения испытаний композиционных материалов, используемых в элементах конструкции планера, и выполнена расчетная оценка проанализированных методов.
В рамках данной работы проведен сравнительный анализ существующих и перспективных методов проведения испытаний кольцевых образцов из композиционных материалов с целью оценки их эффективности в части определения механических свойств. Определены преимущества и недостатки каждого метода.
Ключевые слова: композиционные материалы, методы испытаний образцов из КМ, оценка характеристик, экспресс-метод
е
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Половин М.М., Назаров Е.В., Журавлев Е.В., Шавелкин Д.С. Методы испытаний кольцевых образцов из полимерных композиционных материалов, используемых в авиационной промышленности и расчетная оценка их эффективности // Computational nanotechnology. 2019. Т. 6. № 4. С. 68-71. DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-68-71
V
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-68-71
M. Polovin1, E. Nazarov2, E. Zhuravlev2, D. Shavelkin2
1 PJSC Irkut Corporation, Moscow, 119049, Russian Federation
2 Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, 125080, Russian Federation
METHODS OF TESTING RING SAMPLES MADE OF PLASTIC COMPOSITE MATERIALS USED IN THE AVIATION INDUSTRY AND THE ESTIMATED EVALUATION
OF THEIR EFFECTIVENESS
Abstract. In relation to the increase in the proportion of composite materials used in the design of modern aircraft, the most acute issue is the issue of confirming the characteristics of materials during their testing. In this paper, the methods of testing composite materials used in the elements of the glider design are analyzed, and the estimated assessment of the methods analyzed is made.
Within the limits of the given work the comparative analysis of existing and perspective methods of carrying out of tests of ring samples from composite materials for the purpose of an estimation of their efficiency regarding definition of mechanical properties is carried out. The advantages and disadvantages of each method are determined.
Key words: Composite materials, CM sample testing methods, performance evaluation, express method
f -\
CITATION: Polovin M., Nazarov E., Zhuravlev E., Shavelkin D. Methods of testing ring samples made of plastic composite materials used in the aviation industry and the estimated evaluation of their effectiveness. Computational nanotechnology. 2019. Vol. 6. No. 4. P. 68-71. DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-4-68-71
v J
Введение
За последнее десятилетие доля применения композиционных материалов в конструкции планера самолета существенно выросла. Основной причиной этого являются очевидные преимущества в использовании композитов по сравнению с традиционными металлическими сплавами, а именно:
• снижение веса планера самолета до 15%;
• повышение топливной эффективности;
• уменьшение эксплуатационных расходов до 10% и расходов на периодическое техническое обслуживание до 30% по причине сокращения частоты осмотров и за счет более высоких механических свойств и большего ресурса композиционных материалов,
• уменьшение количества деталей в конструкции и, соответственно, снижение трудоемкости и стоимости изготовления.
Уже сейчас композиционные материалы нашли широкое применение в конструкции современных самолетов. Например, в конструкции самолетов Boeing 787 и Airbus 350 композиционные материалы используются в конструкции крыла, центроплана, фюзеляжа и хвостового оперения.
В конструкции российских самолетов также широко используются композиционные материалы. Доля использования композиционных материалов на самолете МС-21 составляет 35%. На самолете SSJ-100 из композиционных материалов изготовлены агрегаты механизации крыла, рулевые поверхности, створки шасси, обтекатели.
Таким образом, с целью подтверждения прочностных характеристик элементов конструкции из композиционных материалов необходимо как можно тщательнее исследовать вопрос, связанный с проведением прочностных испытаний образцов с целью обеспечения требуемой безопасности элементов конструкции планера и поддержания их летной годности в течение назначенного ресурса.
Методы исследования механических свойств
из образцов полимерных композиционных
материалов
Наиболее часто применимые в конструкции самолета являются элементы, имеющие кольцевую форму, что обусловлено общей геометрией планера и двигателя в том числе. В связи с этим наиболее остро в настоящее время стоит вопрос в исследовании механических характеристик именно таких образцов.
Как пример, на ранних стадиях развития авиационных ГТД широко использовалась барабанная конструкция роторов. С совершенствованием двигателей и повышением их параметров, прежде всего, с ростом скоростей вращения их роторов недостаточная удельная прочность используемых металлических материалов заставила отказаться от конструкции вращающихся барабанов. В качестве несущих элементов роторов ГТД начали применять дисковые конструкции.
С появлением композиционных материалов, имеющих уникальные характеристики удельной прочности (рис. 1), интерес к роторам барабанной конструкции возобновился. Расчеты показывают, что при применении композиционных материалов в два-три раза могут быть повышены рабочие обороты роторов. В работах [2; 3] данный вопрос рассмотрен более детально. На рис. 1 представлены характеристики удельной прочности композиционных материалов различного назначения.
80 70 -60 50 40 30 20 10
Полимерные композиты с высокопрочными углеродными волокнами
Полимерные композиты с углеродными волокнами средней прочности
Высокотемпературные композиты
с интерметаллической матрицей
I Кривая, построенная по экспериментальны; данным А.К. Сэра и Г.Ф. Меррика
Композиционные материалы с керамической матрицей
250
500
750
1000
1250
1500
Рис. 1. Характеристики удельной прочности композиционных материалов различного назначения
Экспериментальная оценка характеристик композиционных материалов, которые реализуются в кольце, изготовленном на основе существующих технологий, представляется актуальной [4]. Такая задача важна при отработке технологии изготовления колец и проведения первичной оценки их механических характеристик. Также, это оценка становится особенно актуальной и при рассмотрении возможности использования кольцевых элементов конструкции в деталях и узлах существующих и перспективных ГТД, работающих в условиях повышенных температур. В связи с этим, ниже описаны известные и разрабатываемые методы проведения механических испытаний кольцевых образцов. Данная оценка выполнена с точки зрения возможности использования того или иного метода испытаний при повышенных (вплоть до 800 °С) температурах.
Испытания кольцевых образцов полудисками
Простейшим способом экспериментальных исследований прочности и жесткости кольцевых образцов являются испытания их полудисками. Этот способ стандартизирован в США (NOL-метод) и широко используется в практике экспресс методов анализа прочности и жесткости образцов [5]. Популярность метода объясняется его простотой, доступностью и низкой стоимостью проведения экспериментов. На рис. 2 представлена оснастка для проведения испытаний кольца полудисками.
По результатам работы [2] установлено, что с увеличением толщины кольцевого образца h/r (при h/r > 0,15) в его сечении в районе между полудисками распределение напряжений не является близким к равномерному, что ведет к заметному искажению в определении прочности материала и его модуля упругости. Это обстоятельство заметно ограничивает применимость данной методики к исследованию прочности и деформативности кольцевых образцов и вынуждает также рассмотреть и другие способы испытаний. Тем не менее, данный метод нельзя исключать из практического применения ввиду достоинств, указанных выше, хотя конечно необходимо также учитывать и его недостатки.
Испытания колец подвижными секторами
Для того, чтобы несколько снизить эффект влияния местного изгиба на упругие и прочностные характеристики испытуемых колец нагрузку на кольца возможно передавать при помощи подвижных секторов (рис. 3).
05.02.22
Удобство монтажа
Полудиски оснащены направляющими для соединения между собой. Фиксация полудисков в держателях осуществляется с помощью штифтов
Широкие
функциональные
возможности
Возможность испытаний при температурах от -70 до +250°С и на любых испытательных машинах
Универсальность
Оснастка комплектуется двумя комплектами полудисков для образцов шириной 8 и 15 мм. Держатели позволяют устанавливать полудиски для испытания образцов диаметром до 200 мм и шириной до 40 мм
Подключение датчиков
Конструкция оснастки позволяет без проблем использовать как контактные, так и безконтактные датчики деформации, включая системы цифровой корреляции изображений DIC
Рис. 2. Оснастка для проведения испытаний кольца полудисками
Испытуемый образец
Подвижные сектора
Рис. 3. Испытание колец подвижными секторами (типовой вариант)
Число секторов, способ их перемещения и передачи нагрузки на кольцо могут быть различными. Во всех случаях сектора должны свободно перемещаться по направляющим центрирующего и направляющего устройства. Ниже кратко описаны три возможных способа передачи нагрузки на кольца.
Испытания за счет механического распора секторов
Механический распор подвижных секторов обеспечивается перемещением под действием нагрузки Р нагружающего устройства в осевом направлении. Величины радиальной нагрузки и давления на кольцо секторами могут быть рассчитаны, что продемонстрировано в работе [2]. При этом на наружную поверхность кольцевого образца из композиционных материалов могут быть наклеены тензорезисторы для регистрации параметров напряжений.
Испытания колец в поле центробежных сил
Радиальные смещения подвижных секторов могут быть обеспечены за счет центробежных нагрузок при вращении кольца вместе с центрирующим и направляющим устройством.
Эффективность метода может быть оценена расчетным путем [2]. Прежде всего, обеспечивается достаточно высокая равномерность нагружения и более равномерное поле напряжений, как по толщине кольца, так и по его протяженности в окружном направлении.
Некоторым неудобством при проведении испытаний настоящим методом является их относительно высокая стоимость. Определенные трудности представляет организация процесса наблюдения за поведением кольца в ходе эксперимента. Применение токосъемников делает эксперимент еще более дорогостоящим. Кроме того, реализация испытаний при повышенных температурах требует создания сложной системы обогрева.
Перемещения подвижных секторов за счет температурного расширения специального диска
Одним из оригинальных и относительно простых способов нагружения колец является нагружение за счет температурного расширения специального диска или толстого кольца. На рис. 4 представлены уровни радиальных перемещений диска для нагружения кольцевого образца из композиционных материалов для различных материалов.
Радиальное расширение свободного диска определенного диаметра при равномерном его нагреве до определенной температуры может быть оценено расчетным путем [2].
Расчеты [6] показывают, что этот вид испытаний может конкурировать с любым из описанных выше по всем показателям - прежде всего, потому что результаты испытаний соответствуют качеству материала кольца. Кроме того, стоимость реализации этого типа испытаний низка. Наконец, развитие этого метода испытаний на случай испытаний при высоких температурах представляется не сложным.
45 1040-10-5 35 -10-5
s 30-10-5
S
га
s 25-10-5 Ч
О)
s
| 20-10-5
s
3
и га
о. 15 -10 10-10-5 5-10-5
Алюминий (чистый)
Бронза
Медь
Латунь
Сталь (углеродистая) Свинец Чугун Цинк
300
Температура, °С
Рис. 4. Уровни расширение диска, изготовленного из различных материалов
Испытаний колец
внутренним давлением
Одним из способов испытания колец является испытание их внутренним гидростатическим давлением. Методически этот тип испытаний является наиболее простым. Кроме того, благодаря равномерности приложенной нагрузки в этом случае результаты испытаний наиболее точные.
Вместе с тем, для исследования колец из композиционных материалов метод испытания гидростатическим давлением используется крайне редко. Дело в том, что часто кольца из композиционных материалов отличаются повышенной прочностью. В связи с этим, разрушения имеют место при достаточно больших значениях давлений. В этом случае из-за различных утечек, сопровождающих процесс испытаний, техническая реализация эксперимента становится затруднительной, а сама система становится объектом высокого давления и должны соответствовать требованиям, предъявляемым к такой системе.
Испытания «бразильского» кольца
Техническое осуществление испытаний на растяжение многих типов композиционных материалов с хрупкой матрицей и, особенно, керамических материалов бывает крайне затруднительным. Одним из методов определения прочности
на растяжение таких материалов является испытание диска или толстых колец на сжатие [7] по схеме, представленной на рис. 5.
Рис. 5. Схема испытаний кольцевого образца
Сравнение полученных результатов [2] показывает, что методика испытаний по схеме «бразильского» кольца может успешно использоваться для экспресс-анализа их прочности. Главное преимущество этого метода заключается в простоте его технической реализации.
Испытания колец при помощи
цангового приспособления
На основе проведенных исследований во ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова [2] была спроектирована и изготовлена оснастка для оценки механических характеристик кольцевых образцов. Общий вид приспособления показан на рис. 6.
Нагружение кольца осуществляется за счет механического распора секторов приспособления. За счет большого количества цанговых секторов при данном способе нагружения кольца практически удается добиться равномерного распределения деформации [8] по окружности образца и приблизить испытания к условиям реальной работы несущего кольца в «блинговых» конструкциях.
Очевидно, что при данной схеме испытаний реализация этого метода при повышенных температурах не представляет большой сложности.
Выводы
В рамках данной работы проведен сравнительный анализ существующих и перспективных методов проведения испытаний кольцевых образцов из композиционных материалов с целью оценки их эффективности в части определения механических свойств. Определены преимущества и недостатки каждого метода.
Определено, что с точки зрения экспресс оценки характеристик образцов композиционного материала может быть использована методика испытания полудисками и испытания по методике «бразильского кольца».
Тем не менее, наиболее достоверные результаты прочностных характеристик кольцевых образцов из композиционных материалов могут быть получены при проведении испытаний с использованием цангового приспособления.
0
0
05.02.22
Рис. 6. Схема испытаний кольцевого образца при помощи цангового приспособления
Литература / References
1. Гуняев Г.М., Кривонос В.В., Румянцев А.Ф., Железина Г.Ф. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов. ВИАМ, 2003. [Gunyaev G.M., Krivonos V.V., Rumyantsev A.F., Zhelezina G.F. Plastics composite materials in aircraft structures. VIAM, 2003.]
2. Афанасьев Д.В., Жумабаев М.Ж., Каримбаев Т.Д., Петров Ю.А., Половин М.М. Многослойные цилиндры и диски. ЦИАМ, 2001. [Afanasiev D.V., Zhumabaev M.J., Karimbayev T.D., Petrov Y.A., Polo-vin M.M. Multilayer cylinders and disks. CIAM, 2001.]
3. Каримбаев Т.Д. Усиленные композиционным материалом конструкции роторов. Новые технологические процессы и надежность в ГТД. Вып. 1. 2000. [Karimbayev T.D. Reinforced with composite material of rotor design. New technological processes and reliability in GTE. Is. 1. 2000.]
4. Тарнапольский Ю.М., Кинцинис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. Рига: Химия, 1969. [Tar-
napolsky Y.M., Kincinis T.Ya. Methods of static testing of reinforced plastics. Riga: Chemistry, 1969.]
5. Тарнапольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. Рига: Химия, 1981. [Tarnapolsky Y.M., Kintsis T.Ya. Methods of static testing of reinforced plastics. Riga: Chemistry, 1981.]
6. Каримбаев Т.Д., Салина Н.В. Исследования деформированного состояния многослойных проставок из перспективных материалов с учетом пластичности. Технический отчет ЦИМ № 111000. М., 1998. [Karimbayev T.D., Salina N.V., Studies of the deformed state of multilayer spacers made of perspective materials considering plasticity. CIM Technical Report No. 111000. Moscow, 1998.]
7. Vardar O., Finnie I. An analysis of the Brazilian disk fracture test using the Weibull probabilistic treatment of brittle strength. International Journal of Fracture. 1975. Vol. 1. No. 3.
8. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Наука, 1977. [Lekhnitsky S.G., Theory of Anisotropic Body Elasticity. Moscow: Science, 1977.]
Статья поступила в редакцию 11.12.2019, принята к публикации 20.12.2019 The article was received on 11.12.2019, accepted for publication 20.12.2019
РЕЦЕНЗИЯ
на статью М.М. Половина, Е.В. Назарова, Е.В. Журавлева, Д.С. Шавелкина «Методы испытаний кольцевых образцов из полимерных композиционных материалов, используемых в авиационной промышленности и расчетная оценка их эффективности»
В представленной на рецензию статье рассматриваются и анализируются методы проведения испытаний композиционных материалов, используемых в элементах конструкции планера и выполнена расчетная оценка проанализированных методов.
Актуальность данной статьи обуславливается тем, что за последнее десятилетие доля применения композиционных материалов в конструкции планера самолета существенно выросла. Основной причиной данного этого являются очевидные преимущества в использовании композитов по сравнения с традиционными металлическими сплавами.
В рамках данной работы авторами проведен сравнительный анализ существующих и перспективных методов проведения испытаний кольцевых образцов из композиционных материалов с целью оценки их эффективности в части определения механических свойств. Определены преимущества и недостатки каждого метода.
Заключение: научная статья «Методы испытаний кольцевых образцов из полимерных композиционных материалов, используемых в авиационной промышленности и расчетная оценка их эффективности» соответствует всем требованиям, предъявляемым к научным работам и рекомендуется к публикации.
Кандидат технических наук, доцент; руководитель проекта ОКР ЗАО «Фазотрон-Авиасервис»
А.В. Гостев
Сведения об авторах / About the authors
Половин Михаил Михайлович, ведущий инженер - конструктор, ПАО «Корпорация «Иркут». Москва, Российская Федерация
Mikhail Mikhailovich Polovin, Leading Design Engineer, PJSC Irkut Corporation. Moscow, Russian Federation E-mail: polovin@inbox.ru
Назаров Егор Вадимович, начальник лаборатории «Композиционные материалы» НИО-101, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). Москва, Российская Федерация Egor Vadimovich Nazarov, Head of Composite Materials Laboratory NIO-101, Moscow Aviation Institute (National Research University). Moscow, Russian Federation E-mail: e.nazarov@mai.ru
Журавлев Евгений Васильевич, начальник лаборатории «Управление жизненным циклом изделия» НИО-101, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). Москва, Российская Федерация
Evgeniy Vasilyevich Zhuravlev, Head of Product Life Cycle Management Laboratory, NIO-101, Moscow Aviation Institute (National Research University). Moscow, Russian Federation E-mail: zhuravlevev@mai.ru
Шавелкин Денис Сергеевич, ассистент кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники», Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). Москва, Российская Федерация
Denis Sergeevich Shavelkin, Assistant of the Department 101 "Design and Certification of Aviation Equipment", Moscow Aviation Institute (National Research University). Moscow, Russian Federation E-mail: dshavelkin@inbox.ru
