CC BY
119
УДК 629.7.021.32
Повышение качества и надежности многослойных конструкций
REFINMENT AND RELIABILITY GROWTH IN MULTILAYER
STRUCTURES
Малиновский Дмитрий Г еннадьевич (Dmityriy G. Malinovsky)
Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И.Забабахина» Россия, Челябинская области, г. Снежинск
Federal State Unitary Enterprise “Russian Federal Nuclear Center - All-Russian Scientific
Research Institute of Technical Physics”
Russia, Chelyabinsk Region, Snezhinsk
kb2@vniitf.ru; D.G.Malinovskiy@mail.ru
456770 Россия, Челябинская область, г. Снежинск, ул. Васильева д.13 а/я 245,
р.т. 8(35146)54042, 8-963-080-30-45
456770 Russia, Chelyabinsk Region, Snezhinsk, 13 Vassiliev St.
P/O Box 245
Phone: 8 (35146)54042, 8-963-080-30-45
При широком применении многослойных конструкций в летательных аппаратах актуальным является вопрос снижения стоимости разработки, изготовления и эксплуатационных расходов при применении таких конструкций, при повышении их качества и надежности. Многослойные конструкции с внутренним гофровым заполнителем из алюминиевых и титановых сплавов изготовленные методом газовой формовки, позволят получать конструкции с меньшим весом, упростить процесс изготовления таких конструкций, снизить стоимость процесса разработки и изготовления, при этом повысить качество получаемых конструкций. Для неразрушающего контроля качества изготовленных изделий непосредственно после изготовления и в эксплуатации может быть использован неразрушающий лазерно-голографический метод, который опробован в РФЯЦ-ВНИИТФ.
While wide application of multilayer structures in aircrafts, urgent is the problem of cheapening costs for development, manufacturing, and maintenance of these structures at increased quality and reliability. Multilayer structures with corrugated filler of aluminum and titanium alloys, produced by gas molding, make design lighter; the manufacture procedure for such structures is both less complicated and expensive as is the development process, with higher quality of the resulting product. Just after manufacture and in the course of operation a nondestructive laser-holographic procedure, mastered at the RFNC-VNIITF, may be use for nondestructive quality control.
МНОГОСЛОЙНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ, ГАЗОВАЯ ФОРМОВКА, ГОФРОВЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ, ЛАЗЕРНО-ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД.
MULTILAYER STRUCTURES, AIRCRAFTS, GAS MOLDING, CORRUGATED FILLER, LASER-HOLOGRAPHIC PROCEDURE.
Практика создания летательных аппаратов свидетельствует о широком применении отдельных элементов в виде многослойных конструкций.
Возможные элементы конструкции летательных аппаратов, выполняемые в виде многослойных конструкций, представлены на рисунке 1.
а - истребитель-перехватчик SAAB-37 «Вигген»; б - истребитель-бомбардировщик F-111A; в - пассажирский самолет Ил-96-300; г - космический корабль «Спейс шаттл»; 1 - многослойные конструкции с заполнителем.
Из представленных рисунков видно, что такие элементы самолета как крыло, фюзеляж, хвостовое оперение имеют в своем составе многослойные конструкции. Даже в конструкции авиационных двигателей можно применять многослойные конструкции, например в обтекателях двигателей и даже в лопатках турбин. Но в основном многослойные конструкции входят в состав обшивки крыла и оперения, лонжеронов, шпангоутов, нервюр, стенок, закрылок, элеронов, щитков, рулей,
а б
в
г
Рисунок 1 - Применение конструкций с заполнителем
обтекателей, полов грузовых и пассажирских кабин, каналов воздухозаборников, деталей интерьера, элементов крепления оборудования и др.
Условия нагружения многослойных элементов в конструкции летательных аппаратов существенно различаются, например лонжероны фюзеляжа или крыла являются силовыми элементами, которые передают нагрузку от одних элементов к другим. Закрылки и рули, полы грузовой и пассажирской кабины воспринимают поперечно распределенную нагрузку, элементы крепления оборудования - местную нагрузку, а элементы интерьера свободны от нагрузок.
В таблице 1 указаны конструкции с заполнителями, которые используются в самолетах различных типов [1, 2, 3, 4, 5, 6].
Таблица 1 - Применение многослойных конструкций с заполнителем в самолетах
Типовые элементы Составные части Многослойные конструкции
Крыло Элементы механизации крыла Элевон, элерон, закрылок, предкрылок дефлекторы, спойлеры тормозные щитки, интерцепторы,
Элементы силовой схемы крыла Панели обшивки крыла, законцовки
Хвостовое оперение Элементы механизации оперения Г оризонтальное оперение, стабилизаторы, рули направления,
Элементы силовой схемы хвостового оперения Киль и его элементы
Фюзеляж Конструкция фюзеляжа Хвостовая часть, элементы центроплана, панели пола
Обтекатели Обтекатель шасси, зализы, крышки люков, элементы мотогондол, элементы воздухозаборников, элементы пилонов
Из таблицы 1 можно сделать следующие выводы:
1) Конструкции с заполнителем, как правило, имеют сложную форму, обусловленную требованиями аэродинамики
2) Конструкции с заполнителем в основном воспринимают распределенные нагрузки (аэродинамический поток, давление груза на пол и т.д.), а для восприятия местных сосредоточенных нагрузок и для крепления к другим частям летательного аппарата имеют элементы местного усиления и заделки.
3) Элементы конструкций, как правило, имеют большую протяженность (отношение длины или ширины к высоте конструкции различается на порядок и более).
При широком применении многослойных конструкций в летательных аппаратах актуальным является вопрос снижения стоимости разработки, изготовления и эксплуатационных расходов при применении таких конструкций, при повышении их качества и надежности.
В ряде случаев такую задачу можно с успехом решить с помощью использования многослойных конструкций с внутренним гофровым заполнителем из алюминиевых и титановых сплавов изготовленных по технологии газовой формовки, а для соединения гофровых ребер использовать кроме традиционных видов сварки - диффузионную сварку или сварку трением с перемешиванием. Процесс газовой формовки можно технологически совместить с процессом диффузионной сварки, что позволит сократить количество сборочных операций. Т акой технологический процесс сверхпластической формовки в сочетании с диффузионной сваркой (СПФ/ДС) разработан совместно ИПСМ РАН и РФЯЦ-ВНИИТФ и защищен патентами Российской федерации [7, 8, 9]. На рисунке 2 приведены конструкции изготовленные методом газовой формовки в сочетании с диффузионной сваркой.
Рисунок 2 - Элементы многослойных конструкций с гофровым заполнителем, выполненные по технологии газовой формовки
Суть метода газовой формовки сводится к следующему:
- заготовка состоит из нескольких листов, предварительно сваренных между собой для образования герметичного пакета;
- в пакет ввариваются штуцеры для подачи давления;
- матрица вместе с заготовкой нагревается;
- подается давление газа и происходит формовка листов (рисунок 3).
К основным преимуществам метода газовой формовки следует отнести:
1. Простую форму заготовок.
2. Высокий коэффициент использования материала.
3. Точность и повторяемость изготовления деталей.
4. Отсутствие остаточных напряжений в сварных швах.
5. Возможность соединения друг с другом тонких и толстых сечений.
6. Изотропность свойств материалла, повышенные коррозионную стойкость и ударную вязкость, связанные с появлением мелкого равноосного зерна в процессе формовки.
а)
б)
в) г)
Рисунок 3 - Схема процесса газовой формовки
Технология получения конструкций при помощи газовой формовки обеспечивает гибкость проектирования и изготовления сложных конструкций с экономией, как показывают оценки, по массе до 30%, по стоимости изготовления приблизительно на 50%.
Применение данной технологии получения многослойных конструкций для летательных аппаратов позволит повысить основные характеристики таких конструкций и, следовательно, качество конструкции летательного аппарата в
целом.
Кроме того, максимально экономичной эксплуатации летательных аппаратов можно достичь путем полной выработки ресурса изделия [10]. Для этого необходимо иметь возможность проводить оперативный контроль состояния изделия, то есть иметь возможность оценить надежность изделия в любой момент текущего времени.
В связи с этим, одной из важных проблем при изготовлении многослойных конструкций с использованием метода газовой формовки - это решение задачи по организации неразрушающего контроля качества изготовленных изделий непосредственно после изготовления и в эксплуатации.
Для контроля многослойных конструкций может быть использован неразрушающий лазерно-голографический метод, который опробован в РФЯЦ-ВНИИТФ при исследовании качества изготовления многослойных конструкций типа «лопатка», которая представляет собой многослойную пустотелую замкнутую конструкцию [11].
а - лицевая сторона
б - обратная сторона
Нарушение ребер жесткости и диффузионной сварки
в - лицевая сторона г - обратная сторона
Рисунок 4 - Интерферограммы лопатки
На рисунке 4 представлены характерные интерферограммы, полученные при нагружении внутренним давлением многослойных конструкций типа «лопаток».
Применение многослойных конструкций с гофровым заполнителем, изготовленных методом газовой формовки, позволит получать конструкции с меньшим весом, упростить процесс изготовления таких конструкций, снизить стоимость процесса разработки и изготовления, при этом повысить качество получаемых конструкций. Применение данного метода позволит повысить качество конструкции летательных аппаратов.
Наличие метода неразрушающего контроля позволить проводить 100% неразрушающий контроль изделий после изготовления, а также проводить контроль надежности изделий при эксплуатации, что позволить проводить эксплуатацию до выработки полного ресурса таких многослойных конструкций и снизить стоимость эксплуатации летательных аппаратов. Возможность оперативного контроля конструкций летательных аппаратов при эксплуатации позволит повысить надежность конструкции в целом.
Литература
1. Ендогур А. И., Вайнберг М. В., Иерусалимский К. М. Сотовые конструкции. Выбор параметров и проектирование. М.: Машиностроение, 1986. 200 с.
2. Панин В. Ф. Конструкции с сотовым заполнителем. М.: Машиностроение, 1982. 152 с.
3. Крысин В. Н. Слоистые клееные конструкции в самолетостроении. М.: Машиностроение, 1980. 228с.
4. Чернов Ю. Г. Опыт применения сотовых конструкций в крыле самолета // Очерки по истории конструкций и систем самолетов ОКБ имени С. В. Ильюшина. Кн. 2. М.: Машиностроение, 1983. 270 с.
5. Strambrel I. Honeycomb Construction Predominates in B-70 Structure. // Space Aeronautics. 1960. VI. V.33. N.6. P.110-113.
6. Bulban E. I. RB-57F Built for Varied Special Missions // Aviation Week and Space Technology. 1964. 13. VII. №2. P.22-24.
7. Петров Е.Н., Кузьмин Э.Н., Родионов В.В., Лутфуллин Р.Я., Саффулин Р.Д. «Заготовка для жесткой полой панельной структуры» // Патент РФ №2200666 от 20.03.2003 г.
8. Петров Е.Н., Кузьмин Э.Н., Родионов В.В., Лутфуллин Р.Я., Саффулин Р.Д. «Способ изготовления панельной структуры» // Патент РФ №2200640 от 20.03.2003 г.
9. Атяскин А.А., Малиновский Д.Г. «Способ изготовления панельной структуры с участками имеющими в процессе эксплуатации панельной структуры различный уровень нагружения» // Патент РФ № 2 410 187 от 02.02.2009.
10. Зверев Георгий Яковлевич. Оценка изделий в процессе эксплуатации. Изд. 2-е. - М.:ЛЕНАНД, 2010. - 96 с.
11. Е.Н. Петров, Ю.В. Худяков, В.Г. Атавин, А.М. Дихтярук, Н.Н. Романенко «Применение лазерно-голографических методов для неразрушающего контроля внутриполых ячеистых конструкций. Сборник научно-технических трудов СГФТИ. 2001г.
