CC BY
11
УДК 629.7.018.4
DOI: 10.15593/2224-9982/2022.71.18
А.А. Зебзеев12, А.В. Торопицина2, Д.В. Маклаков2
1Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
2ОДК-Авиадвигатель, Пермь, Россия
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СТВОРКИ РЕВЕРСИВНОГО УСТРОЙСТВА ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В РАМКАХ ТРЕБОВАНИЙ АВИАЦИОННЫХ ПРАВИЛ
Описывается использованный подход планирования эксперимента для подтверждения прочности створки реверсивного устройства из полимерных композиционных материалов. Для этого проводился анализ объекта исследования на предмет наиболее вероятных зон возникновения ударных повреждений в ходе эксплуатации, а также выполнялся прочностной расчет в современном прикладном пакете с использованием метода конечных элементов. На основании выполненного анализа и расчетных прочностных исследований определены наиболее нагруженные конструктивные зоны объекта испытаний, в эти зоны были нанесены низкоскоростные ударные повреждения, с энергиями, полученными в ходе выполнения работ по отработке нанесения ударных повреждений на стандартные образцы (имитирующие основные конструктивные зоны) и полноразмерные конструкции (створки реверсивного устройства).
Ключевые слова: створка реверсивного устройства, полимерный композиционный материал, низкоскоростные ударные повреждения, энергия удара, глубина повреждения, визуальные отличия ударных повреждений, характеристики ударного взаимодействия, статические испытания.
A.A. Zebzeev12, A.V. Toropitcina2, D.V. Maklakov2
1Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
2UEC-Aviadvigatel, Perm, Russian Federation
PLANNING AN EXPERIMENT TO CONFIRM THE STRENGTH FLAP REVERSING DEVICE MADE OF POLYMER COMPOSITES MATERIALS WITHIN THE REQUIREMENTS OF AVIATION REGULATIONS
The article describes the experimental planning approach used to confirm the strength of a Flap Reversing Device made of Polymer Composites Materials. For this purpose, the object of research was analyzed for the most probable zones of impact damage during operation, and the strength calculation was performed in a modern application package, using the finite element method. Based on the performed analysis and calculated strength studies, the most stressed structural zones of the test object were determined, and low-velocity impact damage was applied to these zones, with energies obtained in the course of work on shock damage application on standard specimens (simulating the main structural zones) and full-size structures (Reversing Device flaps).
Keywords: flap reversing device, polymer composite material, low-velocity impact damage, impact energy, damage depth, visual differences of impact damage, impact interaction characteristics, static tests.
Опыт эксплуатации авиационных деталей из полимерных композиционных материалов показывает, что наиболее опасными причинами возможного разрушения конструкции является повреждаемость при механических ударных воздействиях в процессе эксплуатации и наличие технологических дефектов, не обнаруженных при изготовлении. Поэтому обеспечение требуемой надежности подтверждается с использованием принципа проектирования «эксплуатационной живучести», предусматривающий возможность эксплуатации авиационных конструкций из (ПКМ) при наличии повреждений.
Таким образом, при обосновании прочности конструкции из ПКМ, планировании испытаний по оценке допустимости повреждений в обоснование обеспечения безопасности эксплуатации в процессе всего периода эксплуатации 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 металлических изделий массой до 15 г, повреждения при осмотрах, монтаже, транспортировке и проведении регламентных работ технического обслуживания от наземного оборудования, и конструкции (энергии удара от 5 до 140 Дж). В результате таких повреждений возможны появления трещин, отслоений, вмятин, сквозные пробои. При этом конструкции МГ с такими повреждениями должны выдерживать максимальные расчетные нагрузки [1].
В процессе выполнения работы изучались источники и литература по возможным видам ударных повреждений на конструкциях из ПКМ, а также способы оценки несущей способности и усталостной долговечности элементов из ПКМ с возможными эксплуатационными ударными повреждениями, помимо этого, исследовались возможные способы нанесения низкоскоростных ударных повреждений. В частности, в [2] представлены результаты расчетно-эксперименталь-ных исследований остаточной прочности силовых панелей крыла и хвостового оперения конструкции планера с ударными повреждениями при испытаниях на сжатие, по результатам исследований установлено влияние эксплуатационных ударных повреждений на панели крыла, помимо этого, отмечено различие влияния повреждений на высоконагруженную часть панели крыла и средненагруженную часть. В [3] рассмотрены причины возникновения и характер развития повреждений, типичных для большинства ПКМ, и приведена классификация возможных ударных повреждений по скоростям и энергиям. Работа [4] посвящена сравнению влияния ударных повреждений на разнообразные образцы из полимерных композиционных материалов. Ударные повреждения наносились при помощи вертикально падающего груза, отработана методика нанесения и регистрации параметров удара, размеры ударных повреждений регистрировались визуально, а глубины вмятин определялись цифровым индикатором. По результатам работы построены графики зависимости средних значений площадей внутренних повреждений от энергий удара. В источниках [5-8] проводится экспериментальная оценка несущей способности конструкций воздушных судов из ПКМ, также описываются виды, характер и частота появления эксплуатационных повреждений. Помимо этого, были изучены основные нормативные документы, которые касаются авиационного моторостроения, и стандартный метод определения повреждаемости композиционного материала в рамках испытаний на удар падающим грузом [9].
Объектом исследования данной работы является створка реверсивного устройства (РУ) перспективного российского двигателя, которая представляет собой акустическую панель с двумя ярусами сотового заполнителя (функциональный материал) и полимерного композиционного материала на основе препрега углепластика (конструкционный материал). Дополнительно на створку РУ установлены кронштейны крепления, тяга и качалка. Общий вид створки РУ с качалкой и тягой приведен на рис. 1.
Испытания створки РУ проводятся в соответствии с требованиями Авиационных правил АП-25 [1]. Основные полученные результаты испытаний представлены ниже.
Применение современных прикладных пакетов, основанных на использовании метода конечных элементов, значительно упростили планирование эксперимента. По результатам расчетов в 3D-постановке получены распределения запасов прочности с учетом работы конструкции в сложном напряженном состоянии (рис. 2). По результатам анализа определены следующие критические зоны:
- синие зоны - это зоны с максимальными коэффициентами запаса прочности;
- голубые и зеленые - зоны средней нагруженности;
- желтые и красные - критические зоны конструкции.
Рис. 2. Результаты прочностного расчета створки РУ
Проводится анализ конструкции на вероятность воздействия внешних источников, приводящих к появлению дефектов. В основном это аэродинамическая поверхность, которая подвержена попаданию нелокализованных частиц гравия и металлических изделий массой до 15 г, повреждению при осмотрах, монтаже, транспортировке и проведении регламентных работ.
По результатам анализа определяется вид образцов, имитирующих конструкцию створки, и поверхность нанесения повреждений. Ударные повреждения разной интенсивности наносились на образцы по методу вертикально падающего груза в соответствии с требованиями [9]: на каждую энергию шесть образцов. После окончания работ выполнен визуальный осмотр, произведены обмеры получившихся повреждений с учетом релаксации и неразрушающий контроль. По результатам проведения работ определены предварительные энергии для каждой из конструктивных зон створки РУ.
Для тонких композитных конструкций повреждения могут быть классифицированы как:
- повреждения 1-й категории (BVID). Это едва заметные (на границе видимости) при осмотре ударные повреждения. Могут быть не обнаружены в ходе планового технического обслуживания;
- повреждения 2-й и 3-й категорий (VID). Для деталей МГ (поскольку это тонкие оболо-чечные конструкции) категории повреждений объединены. Данные повреждения обнаруживаются при техническом обслуживании.
Практическим критерием видимого повреждения является измерение глубины вмятины, образовавшейся в результате удара с низкой скоростью. В качестве критерия видимого повреждения используется глубина вмятины ~1 мм.
Для наработки статистических данных по ударным повреждениям была поставлена полноразмерная створка РУ, на которой ранее было выделено несколько конструктивных зон, в которые необходимо нанести ударные повреждения. Ударные повреждения наносились при помощи разработанного маятникового копра [10].
Результаты нанесения повреждений на полноразмерную створку показали, что результаты испытаний на ударное повреждение, полученные на образцах и полноразмерной конструкции, имеют отличия и энергия удара, необходимая для образования вмятины одинаковой глубины, зависит от диаметра ударного элемента, толщины ламината и места удара. Помимо этого, энергия, необходимая для получения вмятины одинаковой глубины, увеличивается с увеличением диаметра ударного элемента (бойка). Также при нанесении удара вблизи элементов жесткости (заполнения пастой, боковые ребра) энергия увеличивается. В таблице представлены результаты сравнения ударных повреждений на стандартные образцы и полноразмерную конструкцию.
Результаты сравнения ударных повреждений на стандартные образцы и полноразмерную конструкцию
Ударные повреждения на образцы (ударный боек меньшего диаметра) Ударные повреждения на полноразмерную конструкцию (ударный боек большего диаметра) Обоснование
• • • • • .чу.Ч; • • • • При одинаковой энергии удара глубина повреждения на образцах в несколько раз больше глубины повреждения на полноразмерной конструкции
ш Зафиксирован сквозной пробой обшивки, энергия удара на образцы в 2,5 раза меньше, чем на полноразмерную конструкцию
По результатам выполненных экспериментальных работ практическим критерием видимого повреждения является измерение глубины вмятины, образовавшейся в результате удара с низкой скоростью, на основании полученных данных по энергиям и визуально видимым повреждениям наносятся ударные повреждения на объект испытания (створка РУ).
По результатам расчетных работ (п. 1) определены наиболее нагруженные зоны створки РУ, в которые нанесены ударные повреждения с определенной энергией (п. 2) при подготовке створки РУ к прочностным испытаниям. Створка РУ препарируется тензорезисторами для измерения деформаций, также устанавливаются лазерные датчики и оптические метки для измерения перемещений в процессе испытаний. Наиболее нагруженная зона створки РУ - место упора качалки в створку. Схема нагружения и закрепления створки РУ выбрана таким образом, чтобы реализовать усилия именно на место контакта (качалка находилась в контакте со створкой по упорной поверхности в течение всего эксперимента). После проведения подготовительных работ створка РУ монтируется в испытательную установку и проходит статические испытания до заданных нагрузок и до разрушения.
В процессе испытаний:
- контролировались перемещения при помощи лазерных датчиков, деформации при помощи тензорезисторов и нагрузка при помощи датчиков силы;
- визуально контролировалось состояние створки РУ при помощи камер наблюдения;
- проводилась оценка воздействия нагрузки на критическую зону конструкции створки РУ, для этого измерялся угол между качалкой и тягой (в испытательной установке) по данным,
полученным с оптических меток (рис. 3) и параметрической зависимости, полученной из аналитических и численных результатов расчетов;
- проводился сравнительный анализ получаемых данных по тензорезисторам при конкретной нагрузке с результатами расчетов.
Рис. 3. Схема расположения оптических меток для измерения перемещений
По результатам проведенных испытаний, определено и установлено:
- створка РУ с заранее нанесенными ударными повреждениям успешно прошла статические испытания до максимальной эксплуатационной и расчетной нагрузок, по результатам испытаний до разрушения получена критическая нагрузка разрушения объекта исследования;
- при испытаниях до разрушения зафиксировано появление трещины (рис. 4) по месту удара по наиболее нагруженному месту створки РУ, которое определено по результатам расчетных работ при планировании испытаний;
- по результатам выполненного анализа, следует отметить, что результаты расчетов хорошо согласуются с полученными данными в результате эксперимента, разница по деформациям и критической нагрузке разрушения составила менее 4 %.
N
Рис. 4. Зафиксированное разрушение по месту удара на створке РУ
Выводы
Установлен практический критерий видимого повреждения - это измерение глубины вмятины, образовавшейся в результате удара с низкой скоростью. По результатам выполненных исследований и проведенного сравнительного анализа полученных результатов испытаний на ударное повреждение на стандартных образцах и полноразмерных конструкциях из ПКМ установлено, что энергия удара, требуемая для образования вмятины одинаковой глубины, зависит от нескольких основных факторов, а именно от диаметра ударного элемента (бойка), толщины
материала (ламинат или сотовые конструкции) и от места удара (боковые ребра, заполнения пастой и т.д.). Энергия, необходимая для получения вмятины одинаковой глубины, увеличивается с увеличением диаметра ударного элемента. Также было подтверждено, что элементы жесткости конструкции влияют на значение энергии удара, в местах, содержащих дополнительный элемент жесткости или места, заполненные пастой, требуют более высокой энергии удара для получения необходимой глубины вмятины. По результатам проведенных прочностных исследований (при испытаниях до разрушения) зафиксировано появление трещины по месту удара по наиболее нагруженному месту створки РУ, что говорит о влиянии ударных повреждений на конструкционную прочность конструкций из ПКМ. Полученные данные в ходе эксперимента хорошо согласуются с расчетными данными.
Библиографический список
1. Авиационные правила АП-25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории - 2009.
2. Несущая способность панелей из композиционных материалов при наличии эксплуатационных повреждений / В.И. Голован, Ю.И. Дударьков, Е.А. Левченко, М.В. Лимонин // Труды МАИ. - 2020. -Вып. 110. - 26 с.
3. Горобец П.И., Хоменко A.B., Шевченю O.A. Повреждения авиационных конструкций из композиционных материалов, вызванные механическими ударами // Обслуживание и ремонт авиационной техники. - 1999. - С. 58-64.
4. Беззаметнов О.Н., Митряйкин В.И., Халиулин В.И. Испытания низкоскоростным ударом различных композиционных материалов // Вестник Московского авиационного института. - 2019. - Т. 26. №4. -С. 216-229.
5. Андреев А.С., Бычков А.С., Кондратьев А.В. Эксплуатационная несущая способность конструкций отечественных и зарубежных воздушных судов транспортной категории из полимерных композиционных материалов. Ч. 1. Общая постановка проблемы // Вестник ОНМУ. -2016. - № 1(47).
6. Андреев А.С., Бычков А.С., Кондратьев А.В. Эксплуатационная несущая способность конструкций отечественных и зарубежных воздушных судов транспортной категории из полимерных композиционных материалов. Ч. 2. Анализ видов, характера и частоты эксплуатационных повреждений // Вестник ОНМУ. - 2016. - № 2(48).
7. Мурашов В.В., Румянцев А.Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов // Контроль. Диагностика. - 2007. - № 4. - С. 1-17.
8. Ушаков А.Е. Общая постановка и схема решения задачи обеспечения безопасности авиаконструкций из ПКМ с учетом их повреждаемости // Механика и машиностроение: Известия Самарского научного центра РАН. - 2012. - Т. 14, № 4(2). - С. 339-347.
9. ASTM D7136. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact. - 2015.
10. Торопицина А.В., Маклаков Д.В., Зебзеев А.А. Нанесение низкоскоростных ударных повреждений на полноразмерные авиационные детали из полимерных композиционных материалов при подготовке объекта к прочностным испытаниям при подтверждении соответствия требованиям Авиационных правил // Вестник ПНИПУ. - №68. - 2022. - С 11-20.
References
1. Aviation rules AR-25. Standards of airworthiness of transport category aircraft - 2009.
2. Bearing capacity of panels made of composite materials in the presence of operational damage / V.I. Golovan, Y.I. Dudarkov, E.A. Levchenko, M.V. Limonin // Proceedings of MAI, Issue 110 - 2020 - 26 P.
3. Composite Aircraft Structures Damages Caused by Mechanical Shocks / P.I. Gorobets, A.B. Khomenko, O.A. Shevchenko // Maintenance and repair of aviation equipment - 1999 - P. 58-64.
4. Low-speed impact tests of various composite materials / O.N. Bezzametnov, V.I. Mitryaikin, V.I. Kha-liulin // Bulletin of the Moscow Aviation Institute. - 2019. - Т. 26. - №4-С. 216-229.
5. Operational load-carrying capacity of constructions of domestic and foreign aircrafts of transport category made of polymeric composite materials. General statement of the problem / A.S. Andreev, A.S. Bychkov, A.V. Kondratyev // Vestnik ONMU. - Odessa, 2016. - № 1(47).
6. Operational load-carrying capacity of domestic and foreign transport category aircraft structures made of polymeric composite materials. Part 2. Analysis of types, nature and frequency of operational damage / A.S. Andreev, A.S. Bychkov, A.V. Kondratyev // Vestnik ONMU. - Odessa, 2016. - № 2(48).
7. Defects of monolithic parts and multilayer structures made of polymer composites / V.V. Murashov, A.F. Rumyantsev // Control. Diagnostic. - № 4. - 2007. - С. 1-17.
8. General statement and scheme of problem solution of PCM aircraft structures safety in view of their damageability / A.E. Ushakov // Mechanics and engineering: Izvestia of Samara Scientific Center of RAS. -Т. 14. - № 4(2). - 2012. - С. 339-347.
9. ASTM D7136. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact - 2015.
10. 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 / A.V. Toropitcina, D.V. Maklakov, A.A. Zebzeev // PNIPU Bulletin. - №68. - 2022. - P 11-20.
Об авторах
Зебзеев Александр Алексеевич (Пермь, Россия) - аспирант, кафедра «Авиционные двигатели», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29); инженер отдела экспериментальных исследований силовых схем и ПКМ, ОДК-Авиадвига-тель (614000, Пермь, Комсомольский пр., 93, e-mail: zebzeev-aa@avid.ru).
Торопицина Анна Владимировна (Пермь, Россия) - заместитель начальника отдела по экспериментальным исследованиям и работам с ПКМ, ОДК-Авиадвигатель (614000, Пермь, Комсомольский пр., 93, e-mail: toropitcina@avid.ru).
Маклаков Данила Валентинович (Пермь, Россия) - начальник бригады экспериментальных исследований силовых схем и ПКМ, ОДК-Авиадвигатель (614000, Пермь, Комсомольский пр., 93, e-mail: maklakov-dv@avid. ru).
About the authors
Alexander A. Zebzeev (Perm, Russian Federation) - Postgraduate student, Perm National Research Polytechnic University, Department of Aircraft Engine (29, Komsomolsky аv., 614990, Perm); Engineer, Department of Experimental Research of Power Circuits and PCM, UEC-Aviadvigatel (614000, Perm, Komsomolsky av., 93, e-mail: zebzeev-aa@avid.ru).
Anna V. Toropitsina (Perm, Russian Federation) - Deputy Head of Experimental Research and Works with PCM, UEC-Aviadvigatel (614000, Perm, Komsomolsky av., 93, e-mail: toropitcina@avid.ru).
Danila V. Maklakov (Perm, Russian Federation) - Head of Experimental Research Team of Power Circuits and PCM, UEC-Aviadvigatel (614000, Perm, Komsomolsky av., 93, e-mail: maklakov-dv@avid.ru).
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов. Все авторы сделали равный вклад в подготовку публикации.
Поступила: 08.10.2022
Одобрена: 30.11.2022
Принята к публикации: 05.12.2022
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом: Зебзеев, А. А. Планирование эксперимента для подтверждения прочности створки реверсивного устройства из полимерных композиционных материалов в рамках требований авиационных правил / А.А. Зебзеев, А.В. Торопицина, Д.В. Маклаков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2022. - № 71. -С. 167-173. DOI: 10.15593/2224-9982/2022.71.18
Please cite this article in English as: Zebzeev A.A., Toropitcina A.V., Maklakov D.V. Planning an Experiment to Confirm the Strength Flap Reversing Device made of Polymer Composites Materials within the Requirements of Aviation Regulations. PNRPUAerospace Engineering Bulletin, 2022, no. 71, pp. 167-173. DOI: 10.15593/2224-9982/2022.71.18
