CC BY
40
2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 84(2)
серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС
УДК 629.7.02:519.2
О МЕТОДАХ ОБОСНОВАНИЯ РАСШИРЕНИЯ СРОКОВ ПЕРИОДИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В.В. НИКОНОВ, А.М. ТРОФИМОВ
В статье предложена методика обоснования изменения сроков периодического контроля силовых элементов планера Л.А. Методика базируется на вероятностных оценках степени опасности перехода с одного регламента на другой. Приводятся результаты численных расчетов.
В действовавших с 1985 г. нормативных требованиях [1], а также в их последующем аналоге, соответствующем международным формам [2], процедура установления первого и последующих осмотров с постоянной периодичностью регламентирована и основана на применении нормированных коэффициентов безопасности (коэффициентов запаса). Поэтому, с формальной точки зрения, для изменения интервалов между осмотрами (такая необходимость может возникать на этапе эксплуатации в связи с получением дополнительных данных о нагруженности, данных об эксплуатационных повреждениях и результатах натурных испытаний, с внедрением новых методов и средств диагностирования и т.д.) необходимо провести уточнение коэффициентов надежности (естественно в рамках, определенных АП 25.571 и МОС к АП 25571 [3]) и пересчитать периодичность контроля. При этом, в основе расчетов лежат два базовых понятия: «максимальный необнаруживаемый размер трещины» и «среднее квадратическое отклонение логарифма длительности роста трещины от максимально необнаруживаемого до критического размера», которое для конструкций из алюминиевых сплавов принимается равным 0,10. Под максимальным необнаруживаемым размером трещины фактически понимается такая трещина, которая при однократном неразрушающем контроле должна быть обнаружена с вероятностью
0,95. Последнее требование достаточно «жесткое» и возникает вопрос: к чему приведет его несоблюдение в условиях эксплуатации и как учесть последствия?
В этой связи, в настоящей работе делается попытка на конкретном примере провести анализ возможности изменения периодичности контроля с учетом возможных эксплуатационных погрешностей.
Постановка задачи
В перечне для обязательных осмотров и неразрушающему контролю в процессе подконтрольной эксплуатации самолета типа Ту 154Б содержалось 32 трещиноопасные зоны. Опыт эксплуатации показал, что наиболее трудоемкой по техническому обслуживанию и наиболее трещиноопасной является зона № 12. Поэтому периодичность контроля указанной зоны в основном определяла и интервал между осмотрами планера в целом. В этой связи требовалось оценить возможность увеличения периодичности проведения осмотров и неразрушающего контроля элементов конструкции самолета. В первую очередь необходимо решить вопрос о расширении интервалов между осмотрами трещиноопасных зон с 300 летных часов до 600 летных часов.
Обоснование возможности увеличения периодичности контроля с использованием коэффициентов безопасности
Зона № 12 представляет собой участок обшивки фюзеляжа в области перехода однорядного шва заклепок крепления стрингеров № 1...5, расположенных между шпангоутами № 39...42, в двухрядный. Обшивка фюзеляжа выполнена из листового материала Д16 АТВ толщиной
1,5 мм. Стрингеры склепаны с обшивкой заклепками диаметром 4 мм и шагом 30 мм. Представление о месте расположения этой зоны, ее конструктивных особенностях дает рис. 1.
Сведения о характере развития трещин и местах их появления были получены в результате анализа повреждений, зарегистрированных в процессе ресурсных испытаний Ту 154Б. Испытывался серийный самолет № 85120 производства Куйбышевского авиационного завода. Повторно-статические нагрузки воспроизводили блок-программу «типовой полет», соответствующий двухчасовому полету.
сг и=п
Рис.1. Конструктивная схема трещиноопасной зоны
В процессе проведения испытаний была зарегистрирована зависимость длины трещины, обнаруженной на правом борту в районе последней заклепки двухрядного шва, от числа блоков нагружения (табл.1).
Таблица 1
№ замера Наработка, «типовой полет» Длина трещины, мм
1 42905 40
2 44340 44
3 44550 47
4 48056 50
Оценим скорость роста трещины, используя данные табл. 1. Рассмотрим два варианта.
В первом случае скорость роста трещины определялась как среднее арифметическое скоростей на каждом их трех участков между замерами. Скорость развития трещины равна у1= 0,006 мм/полет. Во втором варианте скорость роста трещины рассчитывалось как среднее арифметическое скоростей на первом и третьем участках. В этом случае у2= 0,002 мм/полет.
При вычислении длительности докритического роста трещины (периода живучести) примем в качестве предельной (регламентированной) длины трещины 1пред = 27 мм, что приблизительно соответствует расстоянию между заклепками и заклепочными швами, а начальную длину- трещину, выходящую из под заклепки на 3мм. в каждую сторону 1н = 10 мм. В табл.2. приведены результаты расчетов для указанных двух вариантов.
Таблица 2
Ва- ри- Период живучести Коэффициенты надежности Периодичность контроля Т=(1:* / ц )*Э, (л.ч)
ант 1*, (л.ч) П1 Ц2 Пз Ц4 Ц
1 5600 1,0 1,0 1,15 3,0 3,45 1300
2 17000 1,0 1,0 1,15 3,0 3,45 3600
Период докритического роста трещины адекватен расчетам по результатам эксперимента, т.е. 1* =2(!пред- 1н )М . Величины коэффициентов запаса выбирались в соответствии с АП-25.571. Согласно рекомендациям ОКБ, ЦАГИ коэффициент эквивалентности Э между одним блоком нагружения при ресурсных испытаниях и полетом в условиях эксплуатации принимался равным 0,8.
Как видно из табл.2, расчетные периодичности контроля даже для самого наихудшего варианта превышают альтернативный период дефектации (600 л.ч.) более чем в два раза, что дает основание к увеличению периодичности контроля до 600л.ч
Фактический запас при данной периодичности для первого варианта расчетов составляет Цф=5600/600=9.3. Причем экстраполяция экспериментально полученных скоростей проводилась на меньшие длины трещин. Это дает дополнительный запас по расчетам. Что касается возможности обнаружения начальной длины трещины с вероятностью 0.95 даже при целенаправленной дефектации, то этот факт требует проведения дополнительных исследований, которые приводятся ниже.
Вероятностный анализ процедуры увеличения регламентов осмотров
Приведенные ниже вероятностные исследования преследуют в основном две цели:
• оценить снижение вероятности безотказной работы при переходе на большую периодичность контроля;
• оценить возможность и допустимый уровень снижения качества дефектации в эксплуатации от нормированной (Робн=0.95) .
Расчеты вероятности достижения конструкцией своего предельного состояния проводился по методике, изложенной в работе [4] по формуле:
Г
N-i+1t-1 i-1
Z J{1 -П[1 -робнС/'г-у)]}Л[(n- 1)г+уУу
n=0 о J=0
N-i t i
+ Z J{1 - П[1 - робн (Jt - y)]}f4 [(n - 1T+y\fy -
+
(t) =
n=0 t-l J=0
У i
+ J{1 -П[1 - робн (t-yflf [(n - i )*+у$у
t-l J=0
+1 -Fto(t-1*), для y>(t-l)
N-i+1t-1 i-1
+
Z i{1 -П[1 -робн(J't-y)]}f0 [(n-l)r+y\fy
n=0 0 J=0 0
N-i t i
+ Z j{1 -П -робн[(n- 1)t+y]dy
+
+
n=0 t-l J=0
У i-1
+ J{1 -П[1 - р»бн (Jt- y)f [(N - i + 1t+y]dy +
0 J =0 0
+ 1-Ft (t-t*) , для y<(t-l)
где INT[.] - целая часть числа; N = INT [t /1] - общее количество осмотров; t - время эксплуатации; t - период между осмотрами; i = INT[t* /1] +1 ; l = t* - (i - 1)t; y = (t -t* )kt; k = INT[(t -1*)/1.
Предполагается, что трещина возникает в случайный момент времени. Случайная величина, характеризующая момент образования трещины, подчиняется логарифмически нормальному закону с рекомендованным в АП 25.571 значением с.к.о. равным 0,15. Среднее время появления трещины вычислялось путем экстраполяции экспериментально полученных длин трещин и с учетом коэффициентов запаса и эквивалентности.
Результаты расчетов представлены на рис.2 в виде зависимости вероятности достижения конструкцией предельного состояния (R) от срока эксплуатации (t). Графики на рис.2,а соответствуют вероятности обнаружения трещины Робн = 0,5, графики на рис.2,б - Робн = 0,9. Сплошной линией на рисунке выделены зависимости, полученные при интервале между осмотрами т = 300 л.ч., пунктирной линией - т = 600 л.ч.
Г —
2 МО
Рис. 2. Зависимость безотказной работы силового элемента от времени эксплуатации
б
а
Графическая интерпретация результатов расчетов надежности с учетом периодической дефектации позволяет сделать следующие частные выводы, касающиеся непосредственно данных расчетов.
Даже при недостаточно надежном контроле (Р0бн= 0,5) расширение интервала между осмотрами не приводит к значительному снижению надежности (пунктирная и сплошная линия на рис.2,а практически совпадают). При высоком качестве контроля (Робн=0,9) надежность в обоих случаях значительно выше, а увеличение периода дефектации практически не влияет на надежность (сплошная и пунктирные линии на рис.2,б).
Таким образом, оба способа расчетов дают практически одинаковые результаты. Поэтому можно сделать вывод о возможности увеличения сроков между осмотрами зон № 12 самолета Ту-154Б до 600 л.ч. при обеспечении вероятности выявления трещин при однократном осмотре не ниже 0,6.
Обсуждение результатов
Возможность снижения качества дефектации обусловлена тем, что фактический коэффициент безопасности при периодическом контроле в 600л.ч. оказался более 9, вместо общепринятых двух. Это лишний раз подтверждает результаты работы [5].
При расчетах периодичности контроля через коэффициенты запаса, значения последних должны быть увязаны с качеством методов и средств дефектации. Если принимать значение нормированного коэффициента безопасности равного двум, то в эксплуатации необходимо обеспечивать высокую надежность контроля (вероятность пропуска трещины при однократном осмотре не должна превышать значения 0,1).
Если качество дефектации низкое, то максимальный необнаруживаемый размер трещины приближается к своему допустимому значению, период докритического роста трещина становится мал, это ведет к повышению частоты осмотров и значительным финансовым затратам.
Важно отметить, что введение в МОС к АП 25.571 понятия «максимальной необнаружи-ваемой трещины» на практике означает введение в завуалированной форме дополнительного коэффициента надежности со значением порядка 2...3. Если снизить уровень требований к максимальной необнаруживаемой трещине (например, принять вероятность необнаружения не более 0,2), то это приведет к увеличению расчетного периода живучести и одновременно к увеличению коэффициента надежности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Единые Нормы летной годности гражданских транспортных самолетов стран-членов СЭВ (НЛГС).М.,1985.
2. Авиационные правила, часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории / МАК, ЛИИ им. Громова, 1994.
3. Методы определения соответствия (МОС) к АП 24.571 «Обеспечение безопасности конструкции по условиям прочности при длительной эксплуатации»/ Межгосударственный авиационный комитет. Авиационный регистр. № 5-96 от 30 декабря 1996.
4. Никонов В.В. Расчет надежности силовых элементов с учетом периодической дефектации// Динамика, выносливость и надежность авиационных конструкций и систем: Межвуз. тематич. сб.науч.трудов- М.: МИИГА 1980. С. 107-111.
5. Никонов В.В. Проблемы живучести в контексте перевода авиатехники на эксплуатацию по состоянию // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. № 80(10), 2004. С. 66-74.
ABOUT METHODS OF THE SUBSTANTIATION OF SPREADING OF TERMS OF THE PERIODIC CONTROL OF LOAD-BEARING ELEMENTS
Nikonov V.V., Trofimov A.M.
This article deals with a problem of choice control intervals of air construction elements. There are given results of
valuate analysis of exploitive factors influence on elements reliability.
Сведения об авторах
Никонов Валерий Васильевич, 1953 г.р., окончил МГУ (1976), доктор технических наук, профессор кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - прочность и живучесть летательных аппаратов.
Трофимов Алексей Михайлович, 1978 г.р., окончил МГТУ ГА (2001), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - эксплуатация авиатехники.
