CC BY
122
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности
№153
УДК 629.735.45: 629.7.018.4
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ "ОБШИВКА-СТРИНГЕР" КОНСТРУКЦИИ ВЕРТОЛЕТА МИ-26Т ПРИ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ
Д.Н. ОСИПОВ, В.С. ШАПКИН
В статье представлены результаты формирования параметров циклов нагружения элементов "обшивка -стрингер" конструкции планера вертолета Ми-26Т, полученные при подготовке усталостных испытаний указанных элементов. Нагружение осуществляется тремя способами: с помощью воспроизведения цикла "Земля - Воздух
- Земля"; с приведением по методу Одинга; с использованием блок-программы.
Ключевые слова: вертолет, элемент "обшивка-стрингер", усталостные испытания, напряжения, параметры циклов нагружения.
Место стыка хвостовой балки с центральной частью фюзеляжа вертолета Ми-26Т является одним из мест, определяющих ресурс всего планера вертолета. Наиболее опасными дефектами в этой зоне являются трещины стрингеров и обшивок, изготовленных из материала 01420. В зоне между шпангоутами № 36 центральной части фюзеляжа (ЦЧФ) и № 3 хвостовой балки (ХБ) сконцентрировано до 50% всех трещин стрингеров, обнаруженных в эксплуатации. Количество трещин, обнаруженных в одной шпации, достигало 11, что не может не приводить к существенному снижению несущей способности всей конструкции [1]. В работе [2] исследована кинетика усталостных трещин в стрингерах различных профилей в хвостовой балке вертолета. Однако в условиях реальной эксплуатации одним из элементов конструкции, воспринимающим нагрузки, является элемент "обшивка - стрингер". Исследование трещин в этих элементах на эксплуатирующихся вертолетах невозможно по соображениям безопасности полетов. Для создания математических моделей, адекватно описывающих развитие трещин, необходимо проведение испытаний на усталость элементов конструкции "обшивка - стрингер".
Последние летные испытания вертолета Ми-26Т проводились в 1996 г. на базе ГНЦ - ЛИИ им. М.М. Громова [3]. В процессе испытаний измерялись нормальные и касательные напряжения в 43 точках фюзеляжа. Вертолет выполнял типовые полеты в соответствие с НЛГВ-2 [4] с различными взлетными весами при различных центровках. Из 43 точек измерения напряжений три располагались в зоне стыка ЦЧФ - ХБ и имели растягивающие напряжения при всех режимах полета:
- на стрингерах № 8 и № 9 между шпангоутами № 38 и № 39 по правому борту ЦЧФ (зоны
1 и 2);
- на стрингере № 8 между шпангоутами № 1 и № 2 по правому борту ХБ (зона 3).
На указанных стрингерах измерялись нормальные напряжения в свободных полках. Опрос тензодатчиков производился в течение 8 с устоявшегося режима с частотой опроса 0,002 с-1. В табл. 1 приведены параметры эксплуатационного нагружения на различных режимах.
Максимальные нормальные напряжения (до 8,14 кг/мм2 в приращении к стояночным) зафиксированы в зоне 3 на режиме правого виража при горизонтальной скорости У=255 км/ч, минимальные (1,33 кг/мм2) в зоне 1 на режиме висения с влиянием земли. Спектр измеренных напряжений в различных временных масштабах представлен на рис. 1. Отчетливо видны частоты ~2,2 Гц и ~50 Гц, что соответствует частоте вращения несущего винта и первой проходной частоте рулевого винта.
Таблица 1
Параметры эксплуатационного нагружения
Режим полета Минимальные, максимальные и средние напряжения, кг/мм
Зона 1 Зона 2 Зона 3
Сшах Ошіп Сш Сшах Сшіп Сш Сшах Сшіп Сш
Малые скорости (У=60...80 км/ч, Н=1000 м, Рлев=5...7 град) 2,85 4,34 3,52 3,99 5,22 4,64
Г оризонтальный полет со скольжением (У=180...200 км/ч, Н=1000 м, Рлев=15 град) 4,5 6,04 5,15 4,71 6,05 5,25 4,90 6,40 5,60
Горизонтальный полет со скольжением (У=255 км/ч, Н=1000 м, рпр=15) 3,38 4,69 4,07 4,15 5,40 4,80 6,34 7,47 6,96
Вираж левый (У=255 км/ч, Н=1000 м, улев=45 град) 4,39 6,13 5,27 4,40 6,02 5,24 5,90 7,14 6,55
Вираж правый (У=255 км/ч, Н=900...850 м, Упр=45 град) 5,18 6,59 5,85 4,85 6,26 5,47 6,89 8,14 7,47
Висение (Н=5 м) 1,33 3,61 2,22 1,27 3,56 2,18 3,81 5,64 4,67
Комбинированный разворот на висении (Н=5 .10 м, ю=20лев-..20пр...0 град/с) 3,45 4,48 3,97 3,17 4,26 3,70 2,01 6,36 4,26
Торможение перед посадкой (У=100..0 км/ч, Н=60..10 м) 3,45 4,48 3,97 3,17 4,26 3,7 4,21 5,21 4,72
а б
Рис. 1. Нормальные напряжения в стрингере № 8 между шпангоутами № 1 и № 2 ХБ на режиме комбинированного разворота на висении: а - время измерения 1 ~ 8 с; б - время измерения 1 ~ 0,6 с
Ввиду наибольшей близости зоны 3 к месту стыка ХБ и ЦЧФ и наибольших напряжениях в этой зоне по максимальному значению и амплитуде, зоны 1 и 2 исключим из дальнейшего рассмотрения.
Используя данные табл. 1, легко смоделировать одноступенчатый блок нагружения конструкции по циклу "Земля - Воздух - Земля" (ЗВЗ) [5]. Для этого необходимо принять гипотезу о
равенстве экстремальных перегрузок типового полета максимальным напряжениям полета. Согласно многочисленным обработанным данным бортовых самописцев БУР-1-2 [6] средняя продолжительность типового полета составляет 1 ч. Повторяемость режимов полета транспортного вертолета и с применением внешней подвески согласно НЛГВ-2 приведена в табл. 2.
Таблица 2
Повторяемость режима полета вертолета согласно НЛГВ-2 (относительная продолжительность в %)
Вид применения
Режим полета Транспортный Транспортный с внешней подвеской
Висение 3-10 1
Г оризонтальный полет на малых скоростях при ц=0,02-0,1 10 1
Разгон у земли от ц=0 до ц=0,15 1 1
Набор высоты 4-10 5
Горизонтальный полет: 40-65 50
- на крейсерской скорости Укр - на максимальной скорости Ушах 5-10 35
Установившиеся виражи и скольжения 5 3
Моторное планирование 4-10 2
Планирование на режиме самовращения несущего винта 1-5
Торможение перед посадкой от ц=0,15 до ц=0 2 2
Таким образом, имеем продолжительность установившихся виражей и скольжений для транспортного вертолета 180 с и повторяемость максимальных напряжений около 400 за полет (учитывая, что частота возникновения максимальных напряжений соответствует частоте оборотов несущего винта вертолета). Принимая во внимание соотношения
_звз _ _ _звз _ _
Smax Smaxтип.пол. и Smin Sminтип.пол. ,
получаем одноступенчатый блок нагружения по циклу ЗВЗ для зоны 3 с параметрами:
„ЗВЗ о 1 л / 2 „ЗВЗ о m / 2
smax _ 8,14 кг / мм и s_ 2,01 кг / мм
max ■ min ■
с несущей частотой 2,2 Г ц. При этом типовой полет моделируется 400 циклами.
Для расчета максимального значения напряжения цикла отнулевого нагружения, эквива-летного по Одингу, примем за типовой полет совокупность режимов, представленных в табл. 3. Используя значения табл. 1 и 2 для зоны 3, вычислим амплитуды напряжений oa i для всех режимов полета и, используя соотношение Одинга для отнулевого цикла smax0i _ ^2aa. smax. , получим отнулевые максимальные напряжения для каждого режима.
Таблица 3
Амплитуды максимальных напряжений и максимальные отнулевые напряжения для зоны 3
Режим Висение Малые скорости Г оризонтальный полет Максимальные скорости Установившиеся виражи и скольжения Разворот на висении Т орможение перед посадкой
Oa 0,97 0,58 0,8 0,51 0,67 2,16 0,49
Omax 0 3,31 2,46 3,2 2,76 3,30 5,24 2,26
Для эквивалентного отнулевого регулярного нагружения с постоянным размахом, определяемого соотношением
(^шах0 )экв
ш
шах0і
1/ш
где суммирование осуществляется по всем частным эквивалентным отнулевым циклам напряжений, которые характеризуют типовой полет, получаем, учитывая, что для алюминиевых сплавов ш~4:
(^шах0)экв = 3,63 кг/мм2.
Реализации спектров нагружения по циклу ЗВЗ и по Одингу представлены на рис. 2.
Рис. 2. Схематизированные спектры нагружения: а - по циклу ЗВЗ; б - по Одингу
Для создания блок-программы нагружения элемента "обшивка - стрингер" примем за типовой полет реализацию спектра напряжений в зоне 3, представленную на рис. 3.
а
9,00
8,00
7,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
Висение 3% Малые
Полет на
Разворо-
скорости
10%
Горизон-
тальный
крейсерской скоростью
63%
мальной
скорости
10%
Установившиеся виражи и скольжения 5%
Торможение перед посадкой
2%о
макси-
полет с
Рис. 3. Эксплуатационный спектр напряжений типового полета в зоне 3
В процентах указана доля режима в типовом полете, определенная НЛГВ-2 и уточненная по обработке данных БУР-1-2.
Исходя из условий типового полета разобьем каждый блок нагружения на 7 ступеней. Согласно требованиям ГОСТ 25.507-85 [7] определим объем блока уб равным 104 циклов. Построение ступеней блока можно осуществлять двумя способами:
- в качестве параметров ступеней использовать амплитуды и средние значения напряжений, а также количества циклов напряжений, реализованные в эксплуатации;
- в качестве средней нагрузки определить среднее напряжение горизонтального полета на крейсерской скорости (5,6 кг/мм2) и использовать ее как "несущую" нагрузку, на которую накладывать циклы напряжений, соответствующие различным режимам полета.
Для вычисления характеристик нагружения при построении блока вторым способом воспользуемся известной зависимостью И. А. Одинга:
(°а)1-11 (°шах)11 = СО^
которая с учетом п=0,5 и ошах=ош+оа принимает вид:
°а; ^шах; _ ^ап (^шп + ^ап ) ,
где индекс "п" означает приведенное значение.
Решив уравнение относительно аа , получим выражение для приведенных амплитуд:
=
атт
°шп ^^Шп + 4°аі ^шахі
2
Воспользуясь полученным выражением, приведем напряжения всех ступеней блока, кроме 3-й, к эквивалентным напряжениям с аш = 5,6. Полученные характеристики нагружения и
реализации спектров представлены в табл. 4 и на рис. 4.
Таблица 4
№ ступени, 1 1 2 3 4 5 6 7
Число циклов Ь 300 1000 6300 1000 500 700 200
Среднее напряжение ступени ош (кг/мм2) 4,67 4,64 5,6 6,96 7,47 4,26 4,72
Амплитуда напряжений ступени оа (кг/мм2) 0,97 0,58 0,8 0,51 0,67 2,1 0,49
Среднее напряжение ступени ошп (кг/мм2) 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6
Амплитуда напряжений ступени оап (кг/мм2) 0,84 0,49 0,8 0,6 0,84 1,8 0,42
(и 4 х
(и Т * 3 к
С 2
1ІІШ1І11ІІІІІІІІІІІІІІІІ1ІІІ1
ІЛЛЛААЛЛЛЯ
1™
Iй
5 5
ІШ1
ІІ И 111! І ї І І М ІІЧ І М И І І І І' ІІ І І І І! І І 11 ї ІІ ІІІ І ї! І’ І!МІ'
ііііаііішліііііііііііііііііііііііі[ііІішіііі[іінІ
* 2
Ж
Количество циклов в блоке vб
1
Количество цикло в блоке \І$
а б
Рис. 4. Реализация блока нагружения: а - с использованием эксплуатационных характеристик нагружения;
б - с использованием приведенных характеристик
1
Обращает на себя внимание приведение к одинаковой амплитуде циклов 1-й и 5-й ступеней.
Подставляя полученные характеристики в выражение
У = ЕМ^а,/ Са„„хГ •
определяющее меру полноты спектра, получим соответствующие величины для 1-го и 2-го спектров: У1=0,54 и Уп=0,56. В данном выражении к=7 (число ступеней в блоке), оа шах - максимальная амплитуда блока, соответствующая 6-й ступени блока и равная соответственно 2,1 и 1,8 кг/мм2. 1 блок нагружения моделирует примерно полуторачасовой полет.
Варьирование порядка ступеней в блоке, построенным вторым способом, позволяет моделировать различные типы полетов. Ступень № 6 моделирует режим разворота на висении, высокая повторяемость которого характеризует наиболее тяжелые условия эксплуатации. Увеличение доли ступени № 6 в блоке, или более частое повторение нагрузок с оап =оап6, позволит установить закономерности кинетики усталостных трещин при этих условиях. Кроме этого, нагрузки, моделируемые ступенью № 6, можно приближенно принять за пиковые. Ограничение данных нагрузок при испытаниях позволит проверить гипотезу о замедлении скорости роста усталостных трещин после пиковых нагрузок применительно к данному сплаву и к данному элементу конструкции. Производя усечение экстремальных напряжений (срезку), также легко форсировать испытания.
Проведение усталостных испытаний элементов "обшивка - стрингер" по указанным методикам и сравнение полученных результатов с эксплуатационными результатами позволит на их основе создавать математические модели, описывающие кинетику усталостных трещин в критических зонах фюзеляжа вертолета Ми-26Т.
ЛИТЕРАТУРА
1. Обоснования к Заключениям по определению возможности индивидуального увеличения ресурсов планеров вертолетов Ми-26Т (за период с 2003 по 2008гг. ОАО "МВЗ им. М.Л. Миля" - ФГУП ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского. - М., 2008. - 11 с.
2. Осипов Д.Н., Шапкин В.С. Измерение скорости развития усталостных трещин в стрингерах из материала 01420 вертолета Ми-26Т. Статья в настоящем Научном Вестнике.
3. Научно-технический отчет № 395-96-П "Наземные и летные испытания вертолета Ми-26Т № 30-01 с усиленными центральной частью фюзеляжа и хвостовой балкой" (АООТ "МВЗ им. М.Л. Миля" - ГНЦ - Летноисследовательский институт им. М.М. Громова). - М., 1996. - 181 с.
4. Нормы летной годности гражданских вертолетов СССР (НЛГВ-2). - М., 1987. - 411 с.
5. Арепьев А.Н., Громов М.С., Шапкин В.С. Вопросы эксплуатационной живучести авиаконструкций. -М.: Воздушный транспорт, 2002. - 422 с.
6. Отчет "Методика расчета и характеристики средне-взвешенной оценки повторяемости режимов полета вертолета Ми-26Т, ФГУП ГосНИИ ГА. - М., 2003. - 13 с.
7. ГОСТ 25.507 - 85. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы испытаний на усталость при эксплуатационных режимах нагружения. - М., 1985. - 19 с.
CALCULATION OF LOADING PARAMETRS OF FUSELAGE ELEMENTS “COVERING -STRINGER” OF MILL-26T HELICOPTER DURING FATIGUE TESTS
Osipov D.N., Shapkin V.S.
The results of loading cycles parameters forming of fuselage elements “covering - stringer” of Mill - 26T helicopter during the fatigue test preparations are submitted. The loading is reproduced by three different methods: the “Ground -Air
- Ground” cycle; Oding method; with the use of block-program.
Сведения об авторах
Осипов Дмитрий Николаевич, 1966 г.р., окончил МГУ им. М.В. Ломоносова (1988), старший инженер отдела № 132 НЦ ПЛГ ВС ГосНИИ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов -конструкция и прочность вертолетов.
Шапкин Василий Сергеевич, 1961 г.р., окончил МИИГА (1984), доктор технических наук, профессор кафедры АКПЛА МГТУ ГА, генеральный директор ФГУП ГосНИИ ГА, эксперт Федеральной службы по надзору в сфере транспорта Минтранса России и Межгосударственного авиационного комитета, автор более 170 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
