CC BY
29
УДК 629.7.018.4
А.В. Торопицина, Д.В. Маклаков, А.А. Зебзеев
АО "ОДК-Авиадвигатель"
НАНЕСЕНИЕ НИЗКОСКОРОСТНЫХ УДАРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА ПОЛНОРАЗМЕРНЫЕ АВИАЦИОННЫЕ ДЕТАЛИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ОБЪЕКТА К ПРОЧНОСТНЫМ ИСПЫТАНИЯМ ПРИ ПОДТВЕРЖДЕНИИ СООТВЕТСТВИЯ ТРЕБОВАНИЯМ АВИАЦИОННЫХ ПРАВИЛ
В статье описываются результаты набора статистических данных по повреждениям применительно к различным по структуре конструктивным зонам по нанесению низкоскоростных ударных повреждений на полноразмерные детали из полимерных композиционных материалов авиационного двигателя для наработки статистики. Для этого вида работ разработана установка для нанесения требуемых низкоскоростных ударных повреждений, по типу маятникового копра, разработанная установка позволяет наносить низкоскоростные ударные повреждения в определенном диапазоне энергий. При выполнении работы учитывались различные зоны конструкции (регулярная оболочка, фланцевые утолщения, места изменения толщины и т.д.), повреждения наносились с учетом выбранной зоны. По результатам работ получен набор статистических данных нанесенных повреждений (геометрические размеры, характеристики ударного взаимодействия, визуальные отличия) для разных конструктивных зон конструкции, выполнен статистический анализ полученных результатов испытаний с определением средних значений, стандартных отклонений и коэффициентов вариации глубины и максимального диаметра повреждений. Результаты работы представлены в виде графиков зависимостей геометрических размеров повреждения от фактической энергии удара. Представленный подход по нанесению низкоскоростных ударных повреждений, который основан на использовании в качестве объекта испытаний полноразмерных конструкции, позволяет однозначно определить необходимые параметры ударных повреждений, которые необходимо учитывать при планировании эксперимента и при обосновании статической и усталостной прочности конструкции.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, маятниковый копер, повреждения 1-ой категории (BVID), повреждения 2-ой категории (VID), энергия удара, глубина повреждения, максимальный диаметр повреждения, визуальные отличия ударных повреждений, характеристики ударного взаимодействия, установка для нанесения низкоскоростных ударных повреждений.
A.V. Toropitcina, D.V. Maklakov, A.A. Zebzeev
APPLICATION OF LOW-SPEED SHOCK DAMAGE TO FULL-SIZE AIRCRAFT PARTS MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS DURING THE PREPARATION OF THE OBJECT FOR STRENGTH TESTS
WHEN CONFIRMING COMPLIANCE WITH THE REQUIREMENTS OF AVIATION REGULATIONS
The paper describes the results of a set of statistical data on damage as applied to various structural zones on the application of low-speed impact damage to full-size parts made of polymer composite materials of an aircraft engine to work out the statistics. For this type of work, an installation for application of the required low-velocity impact damage, similar to a pendulum-type copter, has been developed; the developed installation allows application of low-velocity impact damage in a certain range of energies. When performing the work, different zones of the structure (regular shell, flange thickenings, places of thickness change, etc.) were taken into account, the damage was applied taking into account the selected zone. Based on the results of the work, a set of statistical data of applied damage (geometric dimensions, impact interaction characteristics, visual differences) for different structural zones of the structure was obtained, statistical analysis of the obtained test results with determination of average values, standard deviations and variation coefficients of damage depth and maximum diameter was performed. The results of the work are presented in the form of plots of dependences of geometric dimensions of the damage on the actual impact energy. The presented approach to low-velocity impact damage, which is based on the use of full-size structures as test objects, makes it possible to unambiguously determine the required parameters of impact damage to be taken into account when planning the experiment and when substantiating the static and fatigue strength of the structure.
Keywords: polymer composite material, pendulum cooper, category 1 damage (BVID), category 2 damage (VID), impact energy, damage depth, maximum damage diameter, visual differences of impact damage, impact interaction characteristics, low velocity impact damage rig.
Процедура сертификации авиационной силовой конструкции из полимерных композиционных материалов (ПКМ) по условиям прочности основывается на сочетании экспериментальных и расчетных исследований. Оценка статической и усталостной прочности проводится для каждой части конструкции, разрушение которой может привести к аварийной или катастрофической ситуации.
При обосновании статической и усталостной прочности конструкции, планировании испытаний по оценки допустимости повреждений в обоснование соответствия требованиям Авиационным правилам части 25 необходимо учесть возможные места и виды повреждений, связанные со случайным повреждением конструкции. При определении степени повреждения для оценки остаточной прочности в любой момент эксплуатации должны учитываться возможность первоначального обнаружения повреждения и его последующего роста под действием переменных нагрузок. При анализе конструкции следует учесть вероятность воздействия внешних источников, приводящих к появлению дефектов, таких как нелокализованные частицы гравия и мелких металлических изделий, повреждения при осмотрах, монтаже, транспортировке и проведении регламентных работ технического обслуживания от наземного оборудования, и конструкции. В результате таких повреждений возможны появления трещин, отслоений, вмятин, сквозные пробои.
Поэтому одним из основных этапов работ при подготовке объекта к испытаниям является нанесение ударных повреждений. В зависимости от целей испытаний на конструкцию должны быть нанесены повреждения различной интенсивности:
- BVID (Barely Visible Impact Damage): едва заметные ударные повреждение. При данных повреждениях конструкция должна выдерживать проектный ресурс, а ее статическая прочность не должна быть ниже расчетной нагрузки;
- VID (Visible Impact Damage): повреждения, которые можно обнаружить при плановых или целевых осмотрах, проводимых через установленные в эксплуатации интер-
валы. При таких повреждениях конструкция должна сохранять статическую прочность не ниже максимальной эксплуатационной нагрузки;
- CVID (Clearly Visible Impact Damage): повреждения, которые обнаруживаются при предполётном и послеполётном визуальном осмотре. При данных повреждениях конструкция должны выдерживать не менее одного полета, ее прочность должна быть не ниже максимальной эксплуатационной или близкой к ней нагрузке.
Общий принятый подход при обосновании выбора параметров ударных повреждений для композитных конструкций основан на испытании образцов на удар падающем грузом. Данному подходу посвящено много работ.
В источнике [1] описывается стандартный метод определения повреждаемости композиционного материала в рамках испытания на удар падающим грузом. В данной работе установлено, что данный метод может быть использован для скрининга (обследования) повреждаемости различных композиционных материалов или нанесения повреждений на образцы для последующих прочностных исследований. Полученные результаты размеров повреждений имеют хорошую сходимость, но недостатком является то, что свойства повреждаемости, которые установлены данным методом, сильно зависят от ряда факторов, включая схему укладки, геометрические размеры (геометрию) образца, массу и силу удара копра, граничные условия и т.д. Соответственно, полученные результаты не могут быть масштабированы и применены под другие конфигурации или полноразмерные детали и конструкции из ПКМ.
В источнике [2] описываются закономерности реализации случайных ударных воздействий на конструкцию крыла самолета. По результатам данной работы получена обширная база по различным энергиям эксплуатационных ударных воздействий. Для деталей конструкции крыла установлены возможные типовые сценарии ударных воздействий и построены вероятностные распределения по энергиям ударов (которые хорошо согласу-
ются с зарубежными коллегами). Отличительной особенностью данной статьи является то, что полученные результаты можно использовать только для конструкции крыла коммерческого отечественного самолета и они не могут быть использованы для других конструкций из ПКМ, например, для тонкостенных конструкций мотогондолы.
В источнике [3] описываются результаты по определению критериев прочности по условиям визуальной контролепригодности ударных повреждений в композитных авиационных конструкциях. В данной работе описываются эксперименты и результаты анализа оценки влияния эксплуатационных факторов на визуальную обнаруживаемость повреждений в конструкциях из ПКМ (применительно к авиации). Было получено, что вероятность обнаружения сильно зависит от цвета поверхности и её чистоты (поверхность должна быть чистой, без загрязнений) на которую наносилось ударное повреждение. Было установлено, что квалификация специалистов не оказывает существенного влияния на вероятность обнаружения ударного повреждения, следовательно, необходимо разработать специализированную методику или руководящий материал по обслуживанию композитных конструкций.
В источнике [4] описываются результаты развития методов статистического анализа экспериментальных данных об обнаруживае-мости ударных повреждений композитной конструкции при визуальном контроле. По результатам данной работы установлено, что при обработке данных по испытаниям, цель которых - оценка вероятности обнаружения ударных повреждений неразрушающими методами контроля, должен использоваться метод на основе бутстреп-моделирования. Данный метод должен использоваться для определения минимального размера надежно обнаруживаемого ударного повреждения.
В данной статье в отличии от общепринятого подхода при обосновании выбора параметров ударных повреждений для авиационных композитных конструкции, основанного на испытании образцов на удар падающем грузом, представлен подход, который основан
на нанесении ударных повреждений на полногабаритные конструкции.
1. Установка для нанесения требуемых низкоскоростных ударных повреждений
Для проведения работ по нанесению низкоскоростных ударных повреждений была разработана установка по типу маятникового копра. Маятниковый копер с простейшим принципом действия с известной массой и задаваемой высотой отпускания. Копер позволяет наносить требуемые повреждения на объект испытаний с заданной энергией. Конструкция установки позволяет размещать его внутри цилиндрического объекта испытаний диаметром до 2 м для нанесения повреждений на внутреннюю поверхность (например, корпус воздухозаборника). Для предотвращения повторного удара используется ручная защита. Общий вид маятникового копра с указанием основных элементов приведен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид установки для нанесения низкоскоростных ударных повреждений
Fig. 1. General view of the unit for inflicting low-speed impact damage
Основные особенности и характеристики испытательной установки:
- подвес на запрессованных подшипниках;
- известная начальная масса маятникового копра;
- известная масса копра с максимальными грузами;
- набор сменных грузов от 0,1 до 5 кг каждый;
- известное расположение центра масс копра;
- известное расположение центра масс для копра с учетом каждого набора грузов;
- стандартный боек с радиусом закругления 12,5 мм в соответствии с требованиями РЦ-АП25.571-1А (рис.2);
- сменные бойки;
- автоматическое отпускание маятника с заданной высоты;
- фиксированный диапазон значений энергии удара;
Для маятникового копра выполнена тарировка с подключением высокоскоростных камер (для определения скорости в момент удара) и с построением зависимостей кинетической и потенциальной энергии от разницы высот. При нанесении ударного повреждения на объект испытаний по графику выбирается необходимая высота опускания маятника для получения требуемой энергией.
2. Нанесение повреждений на полноразмерные конструкции из ПКМ
Для набора статистики возможных ударных повреждений на конструкции из ПКМ выбирались зоны нанесения повреждений на основании результатов расчета, анализа конструктивных особенностей детали и условий эксплуатации. Для каждой из зон выбиралось несколько энергий. Количество ударов в разные точки с одинаковой энергией -не менее 6. Расстояние между повреждениями составляло не менее 5 см, для предотвращения возможного влияния повреждений друг на друга.
На рис. 2 приведены результаты нанесения низкоскоростных ударных повреждений на цилиндрический корпус в зону перфорации. Корпус состоит из двух рядов сотового заполнителя, наружной обшивки и перфорированных с разной степенью внутренней и средней обшивок. По аналогии были нанесены низкоскоростные ударные повреждения на оболочки, которые представляют собой тонкие ламинаты, толстые заполненные жестким заполнителем фланцевые соединения, места изменения толщины перехода из
- ручная защита после удара.
По завершению ударных испытаний проводился обязательный визуальный контроль, неразрушающий контроль акустическим импедансным методом, обмеры полученных повреждений (максимальный диаметр, глубина, длина и ширина), статистический анализ результатов испытаний с определением средних значений, стандартного отклонения, коэффициента вариации. толстой оболочки в тонкую, краевые удары во фланец близкие к торцевому и т.д.
Рис. 2. Ударные повреждения в зону перфорации корпуса воздухозаборника. Энергии удара от 5 до 35 Дж (Джоулей)
Fig. 2. Impact damage to the perforation area of the air intake casing. Impact energy from 5 to 35 J (Joules)
По результатам статистической обработки построены зависимости глубины повреждения от энергии удара для различных композитных структур (рис. 3-8). На графиках приведены рекомендуемые циркуляром РЦ-АП 25.571-1А (МОС) [5, 6] глубины повреждений и принятые повреждения для конкретных мест конструкции, которые будут использоваться при подготовке объекта к статическим и усталостным испытаниям.
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Нормированный коэффициент энергии удара
Рис. 3. Низкоскоростные ударные повреждения в зону перфорации корпуса, состоящего из двух рядов сотового заполнителя, наружной обшивки и перфорированных с разной степенью внутренней и средней обшивок
Fig. 3. Low-speed impact damage to the perforation zone of the body, consisting of two rows of honeycomb filler, outer skin and perforated with different degrees of inner and middle skin
Рис. 4. Низкоскоростные ударные повреждения в зону корпуса, представляющую собой тонкий ламинат до 2 мм
Fig. 4. Low-speed impact damage to the area of the body, which is a thin laminate up to 2 mm
Нормированный коэффициент энергии удара
Рис. 5. Низкоскоростные ударные повреждения в зону корпуса, представляющую собой толстый ламинат более 2 мм
Fig.5. Low-speed impact damage to the area of the body, which is a thick laminate of more than 2 mm
0 0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 1
Нормированный коэффициент энергии удара
Рис. 6. Низкоскоростные ударные повреждения в толстые заполненные жестким заполнителем фланцевые соединения
Fig. 6. Low velocity impact damage to thick, hard-filled flange connections
Рис. 7. Низкоскоростные ударные повреждения. Краевые удары во фланец близкие к торцевомуFig.7.
Low velocity impact damage.Edge blows into the flange close to the end
Рис. 8. Низкоскоростные ударные повреждения в зону приклейки ребер жесткости Fig.8. Low-speed impact damage in the area of gluing of stiffeners
Рис. 9. Зона приклейки ребер жесткости после ударного взаимодействия. Вид с обратной стороны Fig.9. Area of stiffening ribs gluing after impact interaction. Back side view
По результатам нанесения повреждений в зону приклейки ребер жесткости зафиксировано разрушение мест склейки с обратной стороны, результаты приведены на рис. 9.
По результатам проведения работ получены параметры ударных повреждений необходимые при подготовке объекта к прочно-
стным испытаниям, подкрепленные статистическими данными по повреждениям типовых полноразмерных конструкций.
Принятые энергии для нанесения ударных повреждений при условии их визуальной видимости приведены в таблице 1.
Таблица 1/TaЫe 1
Обобщенные данные параметров ударных повреждений необходимые при подготовке объекта к прочностным испытаниям при условии их визуальной видимости
Generalized data on the parameters of impact damage required when preparing an object for strength tests, provided their visual visibility
Места нанесения ударных повреждений Ударные повреждения (ВУГО) необходимые для учета при подтверждении проектного ресурса и отсутствия развития невыявляемых при эксплуатационном контроле дефектов, а также при подтверждении статической прочности конструкции Ударные повреждения (VID) необходимые для учета при подтверждении периодичности «тяжелой» формы контроля конструкции, а также подтверждение сохранения в период между осмотрами статической прочности
Перфорированная оболочка, состоящая из двух рядов сотового заполнителя, наружной обшивки и перфорированных с разной степенью внутренней и средней обшивок Энергия удара - согласно рис. 3. Глубина повреждения определена для соответствующего значения энергии. Энергия удара - согласно рис. 3. Глубина повреждения - сквозной пробой обечайки.
Окончание таблица 1/Table 1
Места нанесения ударных повреждений Ударные повреждения (БУШ) необходимые для учета при подтверждении проектного ресурса и отсутствия развития невыявляемых при эксплуатационном контроле дефектов, а также при подтверждении статической прочности конструкции Ударные повреждения (VID) необходимые для учета при подтверждении периодичности «тяжелой» формы контроля конструкции, а также подтверждение сохранения в период между осмотрами статической прочности
Тонкий ламинат до 2 мм Энергия удара - согласно рис. 4. Глубина повреждения определена для соответствующего значения энергии. Энергия удара - согласно рис. 4. Глубина повреждения - сквозной пробой обечайки
Толстый ламинат более 2 мм Энергия удара - согласно рис. 5. Глубина повреждения определена для соответствующего значения энергии. Энергия удара - согласно рис. 5, Глубина повреждения - пробой обечайки
Толстые заполненные жестким заполнителем фланцевые соединения В обеспечение видимости ударного повреждения, необходимо наносить повреждения с энергией удара указанной в РЦ-АП 25.571-1А (МОС) В обеспечение видимости ударного повреждения, необходимо наносить повреждения с энергией указанной в РЦ-АП 25.571-1А (МОС)
Краевые удары во фланец близкие к торцевому В обеспечение видимости ударного повреждения, необходимо наносить повреждения с энергией указанной в РЦ-АП 25.571-1А (МОС) В обеспечение видимости ударного повреждения, необходимо наносить повреждения с энергией указанной в РЦ-АП 25.571-1А (МОС)
Зона приклейки ребер жесткости Энергия удара - согласно рис. 8. Глубина повреждения определена для энергий Энергия удара - согласно рис. 8. Глубина повреждения - пробой обечайки
Заключение
По результатам выполненных исследований на ударные повреждения конструкций получен набор статистических данных для различных композитных структур. Используемый подход к обоснованию выбора параметров ударных повреждений для авиационных композитных конструкций при подготовке объекта к прочностным испытаниям считается приемлемым. Использование полногабаритных конструкций в данном подходе позволяет однозначно определить необходимые параметры ударных повреждений в от-
личие от испытаний образцов на удар падающим грузом. Из-за учета конструктивно-технологических особенностей конструкции, таких как несплошность материала, непостоянная жесткость конструкции, наплывы клея в зонах приклейки заполнителя к обшивкам и т.д., этот способ дает высокий разброс экспериментальных данных. Только в критических зонах полноразмерной конструкции полностью реализуется фактические характеристики материала, которые практически невозможно воспроизвести при изготовлении плоских образцов для получения статистических данных по ударным повреждениям.
Библиографический список
1. А.С. ASTM D7136. Стандартный метод определения повреждаемости композиционного материала с полимерной матрицей, армированного волокном, в рамках испытания на удар падающим грузом. -2015 - C. 39.
2. С.В. Дубинский, Ю.М. Фейгенбаум, А.А. Селихов, С.А. Гвоздев, В.М. Ордынцев. Закономерности реализации случайных ударных воздействий на конструкцию крыла коммерческого самолета. - Москва. ФГУП "Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации". - 2016.
3. С.В. Дубинский, Ю.М. Фейгенбаум, В.Я. Сеник. Определение критериев прочности по условиям визуальной контролепригодности ударных повреждений в композитных авиационных конструкциях. Москва - "Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации". - 2016.
4. С.В. Дубинский, Ю.М. Фейгенбаум, В.Я. Сеник. Развитие методов статистического анализа экспериментальных данных об обнаруживаемости ударных повреждений композитной конструкции при визуальном контроле. Москва. - Издательский отдел ЦАГИ. - 2017 - С. 21.
5. МОС 25.571-1А "Оценка допустимости повреждений и усталостной прочности конструкции". -СЦ "Прочность", инв. № 123/1б - 2015.
6. Авиационные правила АП-25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории -
2009.
References
1. A.S. ASTM D7136. A standard method for determining the damage of a composite material with a polymer matrix, reinforced with fiber, as part of a falling load impact test. - 2015. - C. 39.
2. S.V. Dubinsky, Yu.M. Feigenbaum, A.A. Selikhov, S.A. Gvozdev, V.M. Ordyntsev. Regularities of the implementation of random impact impacts on the design of the wing of a commercial aircraft. - Moscow. FSUE "State Research Institute of Civil Aviation". - 2016.
3. S.V. Dubinsky, Yu.M. Feigenbaum, V.Ya. Senik. Determination of strength criteria according to the conditions of visual controllability of shock damage in composite aircraft structures. Moscow - "State Research Institute of Civil Aviation". - 2016.
4. S.V. Dubinsky, Yu.M. Feigenbaum, V.Ya. Senik. Development of methods for statistical analysis of experimental data on the detectability of impact damage to a composite structure during visual inspection. Moscow. - Publishing Department of TsAGI. - 2017. - From 21.
5. MOS 25.571-1A "Assessment of damage tolerance and fatigue strength of the structure". - SC "Durability", inv. No. 123/1b - 2015.
6. Aviation rules AP-25. Standards of airworthiness of transport category aircraft - 2009.
Об авторах
Торопицина Анна Владимировна (Пермь, Россия) - заместитель начальника отдела по экспериментальным исследованиям и работам с ПКМ, АО "ОДК-Авиадвигатель" (614000, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, e-mail: toropitcina@avid.ru).
Маклаков Данила Валентинович (Пермь, Россия) - начальник бригады экспериментальных исследований силовых схем и ПКМ, АО "ОДК-Авиадвигатель" (614000, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, e-mail: maklakov-dv@avid.ru).
Зебзеев Александр Алексеевич (Пермь, Россия) - аспирант ПНИПУ, кафедра АД. Инженер отдела экспериментальных исследований силовых схем и ПКМ, АО "ОДК-Авиадвигатель" (614000, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 93, e-mail: zebzeev-aa@avid.ru).
Получено 07.06.2021
