CC BY
45
Секция ««Техническая эксплуатация электросистем и авионики»
УДК 621.873:539.389.3
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
А. В. Кацура, Г. Г. Крушенко
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Представлены результаты исследования по проблеме повышения долговечности элементов конструкции летательных аппаратов.
Ключевые слова: долговечность, силовая структура, кривые усталости, коррозионные процессы. INCREASING TOTAL RUNNING TIME OF THE AIRCRAFT STRUCTURE
A. V. Kasura, G. G Krushenko
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail:[email protected]
The article presents the results of a research about the problem of increasing total running time of structural elements of the aircraft.
Keywords: total running time, power structure, durability line, corrosion processes.
Вопрос прогнозирования ресурса конструкции планера летательное аппарата (ЛА) по критериям безопасной и эффективной эксплуатации с учетом влияния условий эксплуатации, накопления повреждений в процессе эксплуатации, календарного срока службы занимает одно из главных мест в работах по созданию авиационной техники.
Применение перспективных конструкционных материалов, крепежа, технологий, внедрение новых конструктивных решений, повышение качества изготовления изделий и уровня производства связано со значительными материальными и временными затратами. Наиболее эффективные результаты в обеспечении ресурсных характеристик авиационной техники достигаются на стадиях проектирования, технологической проработки и производства ЛА. Точность прогнозируемых величин долговечности и темпов расходования ресурса планера ЛА в ожидаемых условиях эксплуатации в большой степени зависит от наличия информации о влиянии различных факторов на техническое состояние элементов конструкции [1].
Проектирование конструкции ЛА начинается с анализа прототипов с целью отбора оптимальных решений, что особенно актуально в вопросах обеспечения усталостной прочности конструкции ЛА.
Технологии изготовления деталей, узлов, агрегатов и систем летательных аппаратов оказывает решающее влияние на усталостную долговечность [2]. Это влияние реализуется через изменение напряженно-деформационного состояния материала элементов конструкций при изменении режимов выполнения одного и того же технологического процесса. На ресурсные характеристики элементов конструкции влияют практически все операции технологического процесса.
В результат проведенного исследования предложена модель силовой структуры конструкционного металла, как совокупность дискретных энергетических подструктур с неперекрывающимися деформационными диапазонами, что дает понимание принципа работы структуры металла при разных видах нагружения, и было принято за базовую модель при исследованиях выносливости конструкционных элементов ЛА.
Изучено влияние длительных временных экспозиций в эксплуатационных и лабораторных условиях на остаточные характеристики сопротивления усталости типовых элементов авиаконструкции.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
Установлено, что в многорядных поперечных двухсрезных болтах соединения из алюминиевого сплава Д16АТ со стальным крепежом 15-летней выдержки в нормальных условиях наблюдается 20 %-я потеря усталостных свойств, 15 %-я потеря в соединениях из титанового сплава ОТ4-1. Болтовое соединение из стали 30ХГСА практически сохраняет долговечность.
Полученные кривые усталости образцов из сплава Д16АТ с центральным зенкованным отверстием, вырезанных из различных мест тонкостенной обшивки гермофюзеляжа пассажирского ЛА после выработки незначительного ресурса 25 000 часов при сроке службы более 25 лет и натурных повторно-статических испытаний, в зависимости от частоты нагружения и эксплуатационной и технологической предыстории (изготовления) отверстия под заклепку с потайной головкой.
Разработана методология повышения ресурса соединений при проектировании летательных аппаратов. При этом установлено, что монтажные напряжения не оказывают влияния на статическую прочность исследованных элементов конструкций.
Показана возможность значительного снижения отрицательного влияния монтажных напряжений на сопротивление усталости заклепочных соединений с помощью кратковременных экспозиций при повышенной температуре и продолжительных выдержек при нормальной температуре.
Исследованы коррозионные процессы, воздействующие на элементы конструкции ЛА, результаты которых позволили предложить способы повышения их долговечности по критерию коррозионной стойкости. Лучшими усталостными характеристиками (высокими и стабильными) по совокупности всех испытаний по оценке влияния типовых коррозионных воздействий на остаточную долговечность обладают конструкции из листового алюминиевого сплава высокой частоты 1163 АТ - аналогичная зависимость была установлена при литье гребных винтов из алюминиевого сплава АК5М2 разной частоты [3]. Разработанная эксперементально-расчетная методика построения кривых усталости материала с коррозионными дефектами универсальна, применима для любого элемента конструкции, в максимальной степени допускает использование назначенного ресурса (срока) службы ЛА.
В результате исследования по долговечноси соединений из углепластиков с полимерными компенсирующими заполнителями, было установлено, что в образцах клеевого соединения КМУ-4 с заполнителями ЗП-3, ЗП-4, ВЗ-27 подготовка поверхности перед нанесением полимерного компенсирующего заполнителя из-за лучшего адгезионного сцепления повышает статическую прочность клеевого соединения с заполнителем ВЗ-27М в среднем в 1,5 раза, с заполнителем ЗП-3 - почти в 2 раза. Разрушающая нагрузка образцов двухрядного болт-заклепачного соединения из КМУ-8 с прослойкой ПКЗ ВЗ-27М (с подготовленными поверхностями сопряжения) в 1,19 раза больше, чем у образцов с ЗП-3. В образцах болтовых соединений из углепластика КМУ-8 из исследованных типов образцов наибольшей статической прочностью обладают образцы с прослойкой ПКЗ с технологическим разъемом между ПКЗ и пластиной, склеенные клеем ВК-59.
При исследовании прочностных и усталостных характеристик образцов заклепочного соединения из сплава Д16АТ установлено, что температура до 150 С не сказалась на прочности образцов с металлическими прокладками и способствовало повышению статической прочности образцов с ПКЗ более чем на 8 %.
При исследовании влияния конструктивно-технологических факторов на статическую прочность и усталостную долговечность образцов болтовых соединений установлено, что у образцов из сплава Д16АТ с ПКЗ толщиной 1 мм усталостная долговечность по сравнению с образцами с металлической прокладкой толщиной 1 мм в среднем выше в 4 раза. Это связанно с уменьшением податливости болтового соединения с ПКЗ и с отсутствием у этих образцов очагов фреттинг-коррозии, которые являются источниками зарождения усталостных трещин.
При проведении усталостных испытаний болтовых соединений с ПКЗ установлено, что у образцов из стали 30ХГСА долговечность образцов с заполнителем оказалась выше, чем у образцов без заполнителя; у образцов из сплава Д16АТ долговечность в значительной степени зависит т податливости соединения.
Установлено, что высокие демпфирующие характеристики сверхвысокомолекулярного полиэтилена при малой плотности (0,92...0,94 г/см3) позволяют его использовать в качестве покрытия, уменьшающего амплитуду колебаний конструкции ЛА и незначительно увеличивающего их массу.
В целом результаты выполненной работы позволяют дать рекомендации по повышению ресурса и календарного срока службы отечественных летательных аппаратов гражданской авиации [4].
Секция « Техническая эксплуатация электросистем и авионики»
Библиографические ссылки
1. Кацура А. В. Основные характеристики систем информационного обеспечения технической эксплуатации летательных аппаратов // Вестник СибГАУ. 2006. Вып. 4. С. 44-46.
2. Batler S. A., Molent L., Wanhill R. J. H. Typical fatigue-initiation discontinuities in metallic aircraft structure // International J. of Fatigue. 2012. Vol. 41. P. 11-22.
3. Крушенко Г. Г., Балашов Б. А., Василенко З. А. Использование вторичного алюминевого сплава для отливки гребных винтов // Цветная металлургия. 1991. № 10. С. 37-40.
4. Кацура А. В. Основы эксплуатации планера без межремонтного ресурса // Вестник СибГАУ. 2006. Вып.3. С. 45-46.
© Кацура А. В., Крушенко Г. Г., 2016
