CC BY
112
УДК 629.7.023: 539.433
ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ ПЛАНЕРА ВОЗДУШНОГО СУДНА, ИМЕЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ДЕФЕКТЫ
С.В. БУТУШИН, А.В. СЕМИН, Ю.М. ФЕЙГЕНБАУМ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.
В процессе производства или выполнения восстановительных работ в эксплуатации возможно образование невыявленных дефектов, снижающих ресурсные характеристики конструкции. На основе вероятностной модели исходного состояния рассмотрена оценка вероятности превышения обусловленной дефектом трещины усталости определенной длины за время предстоящей эксплуатации.
Ключевые слова: соединение конструктивных элементов силовыми точками, концентрация напряжений, трещина усталости, вероятность развития трещины.
Ресурсные характеристики силовой конструкции воздушного судна (ВС) в значительной степени определяются качеством его изготовления, т.е. степенью соответствия изготовленного экземпляра конструкторской документации. Низкое качество работ, обусловленное недостаточной квалификацией персонала, изношенностью или неправильной наладкой оборудования, отсутствием технологической дисциплины при отсутствии надлежащего контроля качества могут свести на нет все примененные разработчиком конструктивно-технологические методы повышения ресурса и живучести конструкции. Именно поэтому повышения уровня производства, его максимально возможная автоматизация и совершенствование системы качества являются необходимым условием создания ВС с большим проектным ресурсом и обеспечения их конкурентными преимуществами.
Однако, как показывает опыт производства и эксплуатации, даже в условиях хорошо организованного высокотехнологичного серийного производства невозможно исключить возможность того, что вследствие тех или иных причин конструкция переданного в эксплуатацию ВС будет содержать не выявленные заводским ОТК производственные дефекты. Характер этих дефектов весьма разнообразен: неправильно установленный крепеж или его частичное отсутствие, несоосность или смещение отверстий, занижение радиусов перехода толщин, подрезы и уступы, несоблюдение нормированных величин затяжки крепежа, занижение толщин и перемычек, задиры на кромках отверстий, дефекты материала, не обнаруженные при изготовлении изделий (раковины, расслоения, заковы, непрокаливание, прижоги, подрезы) и т. д.
Проиллюстрируем вышесказанное данными о производственных дефектах самолетов Ту-134А, Б, выявленных в процессе их эксплуатации.
Анализ выполнен на основе исследования документации ХГАПП по самолетам, выпущенным за периоды с 1.01.1974 года по 30.12.1980 года, с 1.07.1982 года по 31.12.1984 года, а также в 1986, 1987 и 1989 годах. Данные самолеты эксплуатировались в России. В общей сложности было проанализировано 12026 извещений об отступлениях на 412 самолетах [1].
Результаты анализа свидетельствуют о следующем.
1. Тенденции к росту или уменьшению числа извещений о выявленных дефектах на один самолет от времени выпуска не наблюдаются (рис. 1).
2. Отступления параметров деталей от конструкторской документации можно распределить по группам:
• замена материалов и полуфабрикатов - 11,89%;
• замена покупных комплектующих изделий (ПКИ) - 1,05%;
• несоответствие (невыдерживание) геометрических размеров деталей - 43,71%;
• механические повреждения обшивки по внешней поверхности: царапины, забоины, потертости, зарезы, засверловки, дорожки-побеги от сверла, фаски увеличенных размеров, лунки от химического травления, неметаллические закаты и т.п. - 12,81%;
• увеличение зазоров по стыкам обшивок крыла, фюзеляжа, оперения, гондол шасси из-за неправильной прирезки обшивок, смещения силовых элементов каркаса - 5,67%;
• восстановление производственных дефектов - 7,74%.
Среди них:
1) трещины обшивки, стрингеров 12,7%;
2) пробоины обшивки 14,1%;
3) лишние отверстия, сдвоенные отверстия, вырезы 9,4%;
4) уменьшение перемычек в болтовых и заклепочных швах 10,8%;
5) перестыковка стрингеров и шпангоутов из-за отсутствия профиля нужной длины 13,5%;
6) зарезы, забоины, царапины и др. 7,8%;
7) невыдерживание геометрических размеров 6,2%;
8) вмятины 3,3%;
9) дефекты отверстий 3,0%;
10) нарушение анодных покрытий узлов навески шасси 2,8%;
11) увеличенные размеры отверстий, вырезов 1,1%;
12) хлопуны, волнистость 2,1%;
13) утяжка обшивки 2,2;
14) засверловки 1,7%;
• отступление от нивелировочного паспорта - 0,68%;
• западание потайных крепежных элементов (болтов, винтов) сверх допустимых величин на верхней поверхности самолетов (из-за перезенковки и перекоса отверстий) и пр. - 16,43%.
X
к
0 1
1 £ * с
I I
0) о т * м г 5 л
н
0)
ц
о
г
га
0
1 5 Ч
0
03
1
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
/(¿Ъ /(¿Ъ
1<0 д<0
■$' О4 о
Л*
о4
лл'.лл' Л"
Л ля>
1°> <£> <£> &
►(V- Л-
О4'
Г О4 1
“Ъ4 N^.5?
&
9?
' О О О О 1 Дата изготовления ВС
Рис. 1
Кроме того, отмечены подрезы, лунки от химического фрезерования, деформация деталей, зазоры в стыках, смещение осей стрингеров и шпангоутов, ступеньки в соединяемых деталях, несоосность и перекос отверстий, уменьшение расстояния от оси отверстия до контура утолщения панели и другие.
Эти дефекты являются типовыми также и для других типов самолетов и серийных заводов, как следует из данных, приведенных в работе [2].
Следует отметить, что большинство указанных дефектов характерно и для современного отечественного производства, при этом к ним прибавились многочисленные скрытые дефекты в начавшихся широко применяться агрегатах из композиционных материалов (в частности, непроклеи).
Для дальнейшего анализа важно и то, что отклонения в технологии изготовления элементов конструкции по типовой технической документации разработчика носят случайный характер. Это обстоятельство позволяет использовать расчетные методы теории вероятности для оценки прочности и живучести элементов конструкции ВС [3, 4].
Следствием наличия в конструкции того или иного производственного дефекта является либо возникновение нового, не предусмотренного КД, концентратора напряжений, либо нерасчетного перераспределения нагрузок на элементы конструкции, либо локального повышения напряжений, либо ухудшение характеристик материала и т.д.
Например, постановка одной заклепки с зазором (рис. 2а) или волнистость одного из листов при их соединении внахлест (рис. 2б) приводит к тому, что при нагружении соединения нагрузка с первого листа (81) передается (рис. 2в) на второй лист (8 2) через одну силовую точку 1. Это продолжается до тех пор, пока первый лист ( 81) не выпрямится или не уничтожится зазор Л1 (рис. 2а), после чего в работу вступит силовая точка 2 (рис. 2г). Момент включения в работу силовой точки 2, а также величина начальной нагрузки на точку 1 зависят от прогиба Л 2 (или
Р
Р
Рис. 2
Значительные зазоры и волнистость листов могут привести к тому, что силовая точка 1 будет срезана или после образования наклепа возникнет трещина усталости, прежде чем в работу вступит силовая точка 2.
В большинстве случаев для целей количественного ресурсного анализа наличие в конструкции того или иного производственного дефекта может быть эквивалентным образом представлено в виде начальной трещины той или иной конфигурации и размера.
Регламентированные размеры таких трещин, которые необходимо рассматривать в качестве необнаруживаемых производственных дефектов при проведении расчетов долговечности конструкции, приведены в МОС 25.571 [5]. При этом использован детерминированный подход, т.е. указаны определенные размеры трещин, которые по своему повреждающему воздействию на конструкцию ” перекрывают” все возможные в производстве дефекты. Очевидно, что при таком подходе в отдельных случаях такие требования являются избыточными.
В процессе эксплуатации различные элементы конструкции подвергаются доработкам и ремонтам, связанным с необходимостью устранения случайных, коррозионных или усталостных повреждений, установкой нового оборудования или модернизации конструкции. Как правило, значительная часть этих доработок производится в условиях ремонтного предприятия, центра ТОиР или АТБ эксплуатанта. Очевидно, что вероятность внесения в конструкцию производственных дефектов в этом случае выше, а номенклатура таких дефектов выше, чем при
производстве работ в условиях серийного производства [6]. Это означает, что использование при обосновании эффективности ремонта и определении регламента последующего контроля конструкции регламентированных в МОС 25.571 начальных дефектов, соответствующих уровню серийного производства, может оказаться неконсервативным.
Таким образом, необходимо развитие методов ресурсного анализа, позволяющих оптимально и надежно учитывать возможное снижение усталостных характеристик конструкции вследствие производственных дефектов, допущенных в процессе как серийного производства, так и при выполнении ремонтов и доработок в процессе эксплуатации.
Отмеченный выше случайный характер производственных дефектов позволяет при выполнении такого анализа использовать вероятностную модель, т.е. начальную стадию образования и развития усталостного повреждения в статистическом аспекте в виде распределения эквивалентного начального размера трещины (ЭНРТ).
ЭНРТ количественно описывает исходное состояние элемента конструкции, имеющего производственный дефект и представляет собой некоторую «гипотетическую» трещину, эквивалентную по своему повреждающему воздействию на конструкцию тому или иному дефекту.
ЭНРТ определяется обратной экстраполяцией закономерности развития усталостной трещины в условиях эксплуатации к моменту времени 1;0 - времени начала эксплуатации ВС или замененного элемента конструкции. Параметры функции распределения ЭНРТ определяются с учетом свойств материала элемента конструкции, условий его нагружения, особенностей накопления усталостных повреждений и приводятся в соответствии с обобщенной кривой развития усталостной трещины.
Обобщенная зависимость развития усталостной трещины (ОЗРТ) от момента 1;0 = 0 до заданного времени контроля г на форме ТО может быть определена детерминированной функцией или экспериментальной функцией, полученной для заданных условий нагружения и эксплуатации элемента конструкции. Следует внести некоторые допущения:
1. Длина усталостной трещины является основной мерой повреждения элемента конструкции.
2. Каждый элемент конструкции имеет одну доминирующую усталостную трещину, допустимый размер которой определяет его предельное состояние по работоспособности или безопасности эксплуатации.
3. Наибольшая усталостная трещина в каждой детали относительно мала (например, < 1,27 мм для угловой трещины в кромке крепежного отверстия) и такие трещины статистически независимы друг от друга. То есть рост наибольшей трещины в одном элементе конструкции не влияет на рост наибольшей трещины в соседнем элементе и наоборот. Хотя при необходимости взаимное влияние может быть учтено.
4. Каждое значение времени образования начальной трещины а0 в распределении ВОНТ соответствует значению эквивалентного начального размера трещины в распределении ЭНРТ и наоборот. Эти распределения статистически эквидистантны.
5. Распределение ЭНРТ справедливо в пределах каждого экземпляра ВС для группы идентичных элементов конструкции. Детерминистический расчет последующего роста трещины проводится (распространяется) для всей совокупности эквивалентных начальных трещин до заданного времени контроля г на форме ТО. Этим определяется распределение времени, за которое трещина в условиях эксплуатации достигает заданной допустимой величины.
Иллюстрация модели ИУС приведена на рис. 3.
Рис. 3
Для описания распределения времени образования начальной трещины (ВОНТ), т. е. времени, когда трещина достигнет величины а0, можно, например, принять трехпараметрическое распределение Вейбулла
Ер (1) = Р(Т < 1) = 1 - ехр[-
],
х > е,
(1)
где Т - время образование начальной трещины;
а - параметр формы распределения;
Ь - масштабный параметр;
е - нижняя граница ВОНТ.
Параметры распределения Вейбулла ( а, Ь, е ) могут быть определены по данным экспериментов (например, на основе испытаний образцов или анализа фрактографических изломов поврежденных в эксплуатации деталей).
Функция распределения ЭНРТ Ра0(х) находится из уравнения (1) и зависимости развития трещины от времени в известном поле напряжений, например
ёа/ёх = 0[а(х)]п, (2)
где 0, п - параметры (которые могут зависеть от спектра нагружения, среды, температуры, материала и пр.), а(х) - длина трещины в момент времени X .
Используя четвертое допущение, можно записать
Ет(1) = 1 -Ба0(х). (3)
Рассмотрим ИУС на основании интегрирования зависимости (2) для условия п > 1
а(х1) = {[а(Х2)]-С + с0(х2 - х1)} (1/С\ (4)
где a(t1) и a(t2) длина трещины соответственно в момент времени t1 и t2, c = n +1, Q, n - параметры уравнения (2).
Если t1=0, t2 = T и a(T) = a0, то из уравнения (4) получаем выражение для эквивалентного начального размера трещины
a(0) = (ao-c + cQT)(-1/c). (5)
Верхнюю границу a(0) обозначим Хи при ограничении времени t = T границей, равной e, тогда
Xu = (a0-c + cQe)(-1/c). (6)
Из этого равенства нижняя граница времени, при котором возможна трещина а0, может
быть выражена
e = (Xu-c -a0-c)/cQ, a0>Xu. (7)
Распределения a(0) получим, используя уравнения (3), (1), (7)
F-0(x) = exp{-[X -CQ^ -CQe}' 0< X £ Xu (8)
Fao(x) = 1, X > Xu,
где b = bn(N)1/а ; b и а соответственно параметр масштаба и формы распределения Вейбулла
для ВОНТ; N - число однотипных элементов, включенных в область исследования.
Последовательность оценки вероятности превышения трещиной заданной длины для выбранной области оценки конструктивных элементов включает:
1. Определяется совокупность элементов конструкции, для которых необходимо провести оценку размера повреждения за время эксплуатации 7 . Данная совокупность элементов нагружена однородным уровнем напряжений, smax » const.
2. Для каждой группы j элементов конструкции определяется ЭНРТ.
3. В распределении ЭНРТ определяется величина Y1i(x), которая за время эксплуатации t примет значение X1 (рис. 4). Например, при скорости развития трещины согласно уравнения (2) при n = 1 и Q = const, Y1i = X1 • exp(-Qi • t) .
4. Определяется вероятность превышения трещиной заданной длины
P(i, t) = P(a(t) > X1) = 1 - Fa0(Yu).
Выводы
1. В процессе производства ВС в результате тех или иных отклонений от предписанной КД технологии неизбежно внесение в силовую конструкцию носящих случайный характер производственных дефектов, снижающих ее ресурсные характеристики. Возможность наличия в конструкции производственных дефектов отражена в Авиационных правилах (АП-25) требованием учета в ресурсном анализе начальных производственных дефектов регламентированных размеров (МОС 25.571).
2. Выполнение ремонтно-восстановительных работ в процессе эксплуатации в условиях, отличных от серийного завода, повышает вероятность внесения в конструкцию производственных дефектов и их номенклатуру. Это обстоятельство должно быть учтено при обосновании эффективности ремонта и определении регламента контроля места ремонта на основе дополнительного анализа.
3. При проведении такого анализа может быть использована предлагаемая модель, позволяющая при известном (предполагаемом) распределении величин начальных дефектов определять вероятность превышения трещиной определенной длины (например, величины минимального обнаруживаемого при контроле дефекта) за время эксплуатации г . Предлагаемый вероятностный подход может быть использован и для уточнения требований по учету в ресурсных расчетах возможного наличия в конструкции производственных дефектов, внесенных в процессе серийного производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анализ влияния производственных дефектов на характеристики надежности летательных аппаратов: отчет по НИР. - ЦАГИ. - 2001.
2. Комаров В.А., Юдкевич Б. А., Герман К.Г., Факина Л.Е. Производственные отклонения и САПР // Авиационная промышленность. - 1980. - №10.
3. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1984.
4. Агамиров Л.В. Вероятностные методы расчета прочности и надежности механических систем // Избранные главы по авиа- и ракетостроению. - М.: Наука и технология, 2005.
5. Методы определения соответствия МОС к АП 25.57. Регламентированные повреждения. Приложение 5-М 25.571 / МАК, ЛИИ им. Громова, 1994.
6. Бутушин С.В., Диогенов С.В., Семин, А.В., Шапкин В.С. Поддержание летной годности экземпляра ВС в условиях безремонтной эксплуатации самолетов Ту-154М ОАО АК «АЭРОФЛОТ-РАЛ» // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2007. - №119.
ESTIMATION OF PROBABILITY OF DEVELOPMENT OF FATIGUE DAMAGE IN ELEMENTS OF DESIGN OF THE AIRCRAFT, HAVING INDUSTRIAL DEFECTS
Butushin S.V., Semin A.V., Feygenbaum Y.M.
During manufacture or performance of regenerative works in operation formation of not revealed defects reducing resource characteristics of a design is possible. On the basis of likelihood model of an initial condition the estimation of probability of excess by the crack of weariness of the certain length caused by defect during forthcoming operation is considered.
Key words: Connection of constructive elements by force points, concentration of pressure, crack of fatigue, probability of development of a crack.
Сведения об авторах
Бутушин Сергей Викторович, 1948 г.р., окончил МАТИ (1971), кандидат технических наук, старший научный сотрудник НЦ ПЛГВС ФГУП ГосНИИ ГА, автор 99 научных работ, область научных интересов - механика и работоспособность технических устройств и машин.
Семин Александр Викторович, 1957 г.р., окончил МИИГА (1982), начальник группы НЦ ПЛГВС ФГУП ГосНИИ ГА, автор 20 научных работ, область научных интересов - эксплуатационная прочность и ресурс ВС.
Фейгенбаум Юрий Моисеевич, 1950 г.р., окончил МАИ (1974), главный специалист ФГУП ГосНИИ ГА, автор 12 научных работ, область научных интересов - прочность и ресурс ВС.
