Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Литературный обзор 11
1.1 Монолитные панели крыла самолета 11
1.1.1 Алюминиевые сплавы (высокопрочные В95пч/оч и ресурсный 1163) 11
1.1.2 Алюминий-литиевые сплавы
1.1.2.1 Ресурсный технологичный Al-Li сплав 1441 15
1.1.2.2 Высокопрочный Al-Li сплав В-1469 18
1.2 Слоистые металлополимерные композиционные материалы 20
ГЛАВА 2 Материалы и методы исследований 29
2.1 Исследуемые материалы 29
2.2 Методы исследований 29
2.3 Методика испытаний конструктивно-подобных образцов со стрингерами 31
ГЛАВА 3 Разработка структур слоистых гибридных материалов для обшивок панелей крыла
3.1 Состав слоистых гибридных материалов 34
3.2 Прогнозирование механических и физических характеристик слоистых гибридных материалов с помощью математической модели 41
3.3 Структура слоистых гибридных материалов 48
ГЛАВА 4 Исследования и испытания стандартных образцов из слоистых гибридных материалов 53
4.1 Определение плотности 53
4.2 Статические механические испытания образцов на растяжение и сжатие 55
4.3 Исследование характеристик трещиностойкости и усталости 63
4.4 Оценка остаточных напряжений 72
4.5 Микроструктура слоистого гибридного материала 73
4.6 Исследование влияния дополнительных нагревов на свойства и структуру Al-Li листов 77
4.7 Фрактографический анализ изломов образцов после испытаний на СРТУ 87
4.8 Результаты натурных испытаний 91
ГЛАВА 5 Проектирование, изготовление и испытания конструктивно-подобных образцов из слоистой гибридной панели крыла 93
5.1 Проектирование фрагмента гибридной панели крыла 93
5.2 Изготовление конструктивно-подобных образцов
5.2.1 Изготовление прессованных стрингеров 104
5.2.2 Подготовка поверхности полуфабрикатов из Al-Li сплавов 105
5.2.3 Формование листовых заготовок из слоистого гибридного материала 105
5.2.4 Крепление стрингеров
5.3 Экспериментальное определение несущей способности при сжатии конструктивно-подобных образцов 108
5.4 Анализ весовой эффективности применения слоистых гибридных панелей 114
5.5 Сравнение слоистых гибридных панелей с монолитными панелями из алюминиевого сплава В95очТ2 115
Заключение 117
Используемые сокращения и обозначения 119
Нормативные ссылки 123
Список публикаций по теме диссертации 125
Список литературы 127
- Алюминий-литиевые сплавы
- Прогнозирование механических и физических характеристик слоистых гибридных материалов с помощью математической модели
- Оценка остаточных напряжений
- Формование листовых заготовок из слоистого гибридного материала
Введение к работе
Актуальность и своевременность постановки данной работы
определяется требованиями по снижению веса и повышению ресурсных характеристик при создании новых образцов авиационной и ракетной техники. За рубежом уделяется большое внимание созданию, исследованию и применению гибридных материалов GLARE (аналогов СИАЛа), что сопровождается большим объемом испытаний. Компания «Airbus» использует материалы GLARE для обшивок, хвостовой части и соединительных лент отсеков фюзеляжа самолета А-380. Развивая направление слоистых материалов с целью увеличения их применения в силовых элементах, зарубежные компании «Airbus» и «Alcoa» ведут широкие исследования по разработке гибридных конструкций, состоящих из листов алюминиевых сплавов и слоистого алюмостеклопластика GLARE для применения в ответственных деталях, в т.ч. в панелях крыла самолета.
Актуальной задачей является разработка многослойной обшивки из слоистых гибридных материалов на основе металлических и полимерных материалов с целью снижения веса и повышения ресурсных характеристик авиационных конструкций.
Целью работы является разработка структур слоистых гибридных материалов на основе алюминий-литиевых сплавов и стеклопластиков для достижения заданных прочностных характеристик и минимальной массы при конструировании обшивок панелей крыла самолета.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
-
Выбор сплавов, стеклонаполнителей и связующих для разработки слоистых гибридных материалов под заданные прочностные характеристики.
-
Определение влияния температуры на стабильность структурно-фазового состава и прочностные характеристики листов из алюминий-литиевых сплавов в процессе технологических нагревов при формовании слоистых гибридных материалов.
-
Оценка механических свойств и ресурса слоистых гибридных материалов различных структур при испытаниях на стандартных образцах.
-
Исследование механизмов разрушения слоистых гибридных материалов при статических и усталостных испытаниях образцов.
-
Определение прочностных характеристик конструктивно-подобных образцов панели крыла с обшивкой из слоистых гибридных материалов с оценкой их преимуществ по весовым и ресурсным характеристикам по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами.
Научная новизна работы:
-
Определена закономерность зарождения и роста усталостной трещины в зависимости от структуры слоистых гибридных материалов и их усталостных характеристик, заключающаяся в послойном торможении роста трещины в слоях стеклопластика и обеспечивающая замедление скорости роста трещины усталости более чем в 10 раз по сравнению с алюминиевыми сплавами.
-
Установлена степень влияния прочностных и геометрических (толщина листа) характеристик слоев из алюминий-литиевых сплавов и стеклопластиков различных структур на прочностные и усталостные характеристики слоистых композитов.
-
Разработана и подтверждена экспериментально математическая модель для прогнозирования упругопластических свойств гибридного материала с целью обеспечения требуемых прочностных характеристик гибридных материалов применительно к конструкции.
Практическая значимость работы:
-
Разработаны структуры слоистых гибридных материалов на базе листов из алюминий-литиевых сплавов и стеклопластиков с использованием клеевых препрегов, обеспечивающие преимущества слоистых гибридных материалов по весовым и ресурсным характеристикам по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами.
-
Подтверждена комплексом усталостных испытаний образцов работоспособность слоистого гибридного материала за счет повышения сопротивления скорости роста трещины усталости.
-
Показана возможность использования слоистых гибридных материалов в конструкции обшивок панелей крыла самолета проведением статических и усталостных испытаний образцов, определением несущей способности при сжимающих нагрузках четырехстрингерных конструктивно-подобных образцов фрагментов конструкции крыльевой панели применительно к прототипу верхней панели крыла самолета Ту-204.
Положения, выносимые на защиту:
-
Структура МПКМ, оптимизированная по результатам испытаний слоистых гибридных материалов на базе листов из Al-Li сплавов и стеклопластиков с использованием клеевых препрегов применительно к обшивкам крыла самолета.
-
Закономерности формирования свойств в зависимости от структуры гибридного материала, механизм зарождения и роста трещины усталости в слоистых гибридных материалах.
-
Определение несущей способности при сжатии конструктивно-подобных образцов с четырьмя стрингерами из прессованных профилей и обшивки из слоистого гибридного материала.
-
Эффективность применения в обшивках крыла самолета слоистых гибридных материалов с применением листов из Al-Li сплавов и стеклопластиков за счет повышения весовой эффективности, прочностных
характеристик, сопротивления росту трещины усталости и несущей способности при сжатии элементов конструкции крыла.
Личный вклад автора состоит:
- в разработке структур и изучении свойств слоистых гибридных
материалов в зависимости от структуры пакета, толщин и расположения слоев;
- в проведении испытаний на стандартных и конструктивно-подобных
образцах из фрагмента обшивок крыла для проведения анализа результатов
испытаний и оптимизации конструкций обшивки крыла самолета с учетом
сравнительной оценки варианта с монолитной обшивкой;
- в участии отработки технологии изготовления на конструктивно-
подобных образцах с применением слоистых гибридных материалов с
использованием листов из Al-Li сплавов;
- во всесторонних исследованиях, анализе полученных результатов и
обобщении свойств слоистых гибридных материалов в зависимости от
структуры, при их оптимизации под заданные конструктивно-технологические
требования при создании конструкций, как например, для обшивок панелей
крыла самолета.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Результаты, изложенные в диссертации, получены на листовых слоистых гибридных заготовках, изготовленных в экспериментальных условиях ФГУП «ВИАМ» и на конструктивно-подобных образцах элементов крыла самолёта изготовленных в условиях самолетостроительного предприятия ПАО «ВАСО» с использованием механических соединений обшивки из слоистых гибридных материалов и прессованных профилей.
Исследования и испытания проводились с использованием современного
сертифицированного оборудования в соответствии с действующими
стандартами и методиками РФ, с учетом зарубежных стандартов.
По материалам диссертации сделано 7 докладов на научно-технических конференциях:
«Актуальные вопросы авиационного материаловедения», г. Москва, ФГУП «ВИАМ», 2007 г.;
«Перспективные высокопрочные алюминиевые сплавы для изделий авиационной, ракетной и атомной техники», 2014 г.;
«Фундаментальные исследования и последние достижения в области литья, деформации, термической обработки и защиты от коррозии алюминиевых сплавов», г. Москва, ФГУП «ВИАМ», 2015 г.;
«Металловедение и современные разработки в области технологий литья, деформации и термической обработки легких сплавов», г. Москва, ФГУП «ВИАМ», 2016 г.;
«Адгезионные материалы», г. Москва, ФГУП «ВИАМ», 2016 г.;
«Прочность конструкций летательных аппаратов», г. Жуковский, ФГУП «ЦАГИ», 2016 г;
- «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья – основа инновационного развития экономики России», г. Москва, ФГУП «ВИАМ», 2017 г.
Публикации
Результаты работы отражены в 9 публикациях, из них 7 в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России, подана 1 заявка на патент.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемых сокращений и обозначений, литературных источников из 132 наименований. Включает 140 страниц машинописного текста, 28 рисунков и 60 таблиц.
Алюминий-литиевые сплавы
В последние годы в авиастроении осваивают и применяют алюминиевые сплавы, легированные литием, которые являются перспективным классом сплавов, характеризующимся ценным сочетанием свойств: малой плотностью, повышенным модулем упругости, достаточно высокими прочностью и коррозионной стойкостью. Применение алюминий-литиевых сплавов позволяет создать самолетные конструкции с меньшей массой и высокими эксплуатационными характеристиками [28-30]. Литий - самый легкий из металлов (с плотностью d = 0,53-0,56 г/см3), каждый его процент снижает плотность алюминиевого сплава на 3 %. Он имеет невысокий модуль упругости Е = 4900 МПа, однако благодаря открытию академика Фридляндера И.Н. [31, 32], показано, что модуль упругости алюминиевых сплавов при введении лития не снижается, а наоборот повышается (каждый процент лития повышает модуль упругости алюминиевого сплава на 6 %), вопреки правилу аддитивности и известной закономерности академика Курнакова Н.С., утверждавшего, что модуль упругости сплава есть среднее арифметическое между модулями элементов, входящих в него [33-35].
В настоящее время созданы Al-Li сплавы различного назначения. Разработка сплавов проводилась большой группой сотрудников ВИАМ под руководством академика И.Н. Фридляндера. Применительно к обшивкам крыла можно выделить среднепрочный ресурсный Al-Li сплав 1441 - для нижней панели и высокопрочный Al-Li сплав В-1469 - для верхней панели.
Алюминий-литиевые сплавы пониженной плотности обладают также повышенным (на 10-15 %) модулем упругости (Е = 75-80 ГПа) по сравнению с Е = 70-72 ГПа для традиционных алюминиевых сплавов. Для Al-Li сплавов характерна обратная анизотропия по сравнению с традиционными сплавами, где реальные прочностные свойства в поперечном направлении несколько выше (на 10-20 МПа), чем свойства в долевом направлении [36-38].
На серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено промышленное производство полуфабрикатов из Al-Li сплавов [39, 40].
Среднепрочный сплав 1441 создан на базе четверной системы Al–Cu–Mg–Li с дополнительным легированием Zr и Ti [41-43]. Он является наиболее технологичным из всех Al-Li сплавов, пластические характеристики которого позволяют производить тонкие листы методом холодной рулонной прокатки, без промежуточных отжигов по технологии, близкой к используемой для производства листов из традиционных алюминиевых сплавов Д16ч и 1163.
Полученные результаты при отработке технологии получения листов из Al-Li сплава 1441 с точки зрения качества поверхности листов, их механических характеристик в соответствии с техническими условиями и экономической целесообразности, дали возможность производить листы толщиной 0,3-0,4 мм.
Листы производятся неплакированные и с плакирующим покрытием нескольких вариантов (нормальная, твердая сплавом АД33 системы Al-Mg-Si (РД) и технологическая сплавом АЦпл). Зеренная структура листов из сплава 1441, как правило, рекристаллизованная, равноосная, мелкозернистая – со средним размером зерна dср 20-25 мкм.
Основной упрочняющей фазой сплава 1441 считается -фаза (Al3Li). Она имеет сферическую форму с размерами выделений при старении 4-10 нм, которые гомогенно распределяются в объеме зерна. Наблюдается также определенное количество S -фазы (Al2СuMg) стерженьковой формы, которая выделяется преимущественно гетерогенно на дислокациях.
Зернограничные выделения образуют стабильные фазы S (Al2СuMg) и T2 [Al5Cu(LiMg)3] размером 40-50 нм. В структуре также присутствуют полукогерентные дисперсоиды циркония ( -фаза (Al3Zr), которые способствуют измельчению зерна, повышению пластичности и характеристик усталости сплава.
На основании построения диаграмм фазовых превращений при старении (ДФПС) и карт изменения механических свойств установлено снижение пластичности листов из сплава 1441 при появлении выделений T 1-фазы (Al2LiCu). Выделения частиц этой фазы следует избегать варьированием режим старения и составов [44-46].
Ресурсный Al-Li сплав 1441 обладает определенными преимуществами по сопротивлению усталости и трещиностойкости перед распространенными традиционными ресурсными сплавами Д16чТ, 1163Т системы Al-Cu-Mg, широко применяемыми в качестве обшивочного материала панелей крыла и фюзеляжа. Листы имеют повышенный предел текучести, хороший уровень долговечности при малоцикловой усталости, низкую скорость роста трещины усталости [47-50]. Листы из сплава 1441 рекомендуется применять в состоянии Т11 после двухступенчатого старения.
Прогнозирование механических и физических характеристик слоистых гибридных материалов с помощью математической модели
Объектом исследований служили:
1. Заготовки из слоистых гибридных материалов десяти структур на базе листов разной толщины из Al-Li сплавов 1441Т11, В-1469Т1 и стеклопластиков, полученные в экспериментальных условиях ФГУП «ВИАМ» размером 500500 мм;
2. Конструктивно-подобные образцы с прессованными стрингерами размером 455,5600 мм из фрагмента слоистой гибридной панели крыла размером 10001500 мм на базе листов Al-Li сплавов 1441Т11, В-1469Т1 и стеклопластиков, изготовленные в промышленных условиях самолетостроительного объединения ПАО «ВАСО»;
3. Клеевые препреги КМКС-2м.120.Т64.55, КМКС-2м.120.Т60.37 и КМКС-2мР.120.РВМПН.30 с разным содержанием армирующего наполнителя.
Предметом исследования являлись структура, статические механические свойства при растяжении и сжатии, характеристики трещиностойкости и усталости, физические и коррозионные свойства слоистых гибридных материалов на основе листов из Al-Li сплавов 1441Т11, В-1469Т1 и стеклопластиков; комплекс свойств стеклопластиков на основе клеевых препрегов.
Все испытания и исследования проведены с использованием современного сертифицированного оборудования в соответствии с действующими стандартами и методиками РФ, с учетом стандартов зарубежной европейской компании «AIRBUS» (AITM 0009, AITM 0048, AITM 0049).
Исследование микроструктуры слоистых гибридных материалов проводили на микрошлифах после травления в 20 %-ном растворе НNO3 при помощи оптического микроскопа OLYMPUS GX 51, оснащенного цифровой камерой в соответствии с МР 21-31, ММ 1.2.028 и ММ 1.2.085. Электронно-микроскопические структурные исследования листов из алюминий-литиевых сплавов с различной термообработкой проводили на фольгах на просвечивающем электронном микроскопе TECHAI F20 SWIN, оснащенном сканирующей системой, светлопольным и темнопольными детекторами электронов в соответствии с ММ 1.595-17-344.
Статические механические свойства при растяжении (аВ, а02, , Е) образцов из слоистых гибридных материалов определяли на испытательных машинах MTS по ГОСТ 1497 на плоских образцах из слоистых гибридных материалов (рисунок 2.1). Статические механические свойства при растяжении образцов из тонких листов алюминий-литиевых сплавов определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 11701.
Статические механические свойства при сжатии (а_од, Есж) образцов определяли на испытательных машинах MTS по ГОСТ 25.503. Определение плотности образцов проводили методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 20018. Испытания образцов шириной 100 мм из слоистых гибридных материалов на скорость роста трещины усталости (СРТУ) с определением dl/dN (cw=100 МПа , R=0,1, f=5 Гц) в интервале значений К от 15,5 до 31,0 МПам проводили на испытательных машинах MTS по ГОСТ 25.506 и ММ 1.2.003. Малоцикловую усталость (МЦУ) образцов из слоистых гибридных материалов при осевой нагрузке определяли в соответствии с ММ 1.2.002. Испытания проводились на образцах шириной 30 мм - полоса с отверстием 5 мм (Кt = 2,6). Параметры нагружения: атах=157 МПа, R=0,1, f =5 Гц.
Фрактографический анализ изломов листов в структуре гибридных материалов проводили после испытаний образцов на СРТУ с помощью электронного сканирующего микроскопа JSM-6490 LV по ММ 1.595-30-148.
Для оценки общей коррозии проведены ускоренные коррозионные испытания образцов из слоистых гибридных материалов в течение 90 суток в камере солевого тумана (КСТ) и в камере тепла и влаги (КТ) по ГОСТ 9.913 и ГОСТ 9.017. Натурные коррозионные испытания проходили на открытых площадках климатических станций в ГЦКИ г. Геленджик и в МЦКИ г. Москва в течение 6 месяцев. Оценку результатов испытаний проводили по изменению механических свойств.
Удельную электропроводимость листов из алюминиевых сплавов определяли вихретоковым методом на приборе ВЭ17-НЦ по ОСТ 1 92133.
Оценку остаточных напряжений в слоистых гибридных панелях после автоклавного формования проводили рентгеновским методом на анализаторе напряжений PFS - 3M фирмы «RIGAKU» в соответствии с ММ 1.595-17-225.
Ультразвуковой контроль слоистых гибридных панелей после формования в автоклаве проводили акустическим импедансным и ультразвуковым теневым методами в соответствии с ТР 1.2.1789.
Испытания на сжатие четырехстрингерных конструктивно-подобных образцов из фрагмента слоистой гибридной панели крыла на базе листов из Al-Li сплавов, представляющих собой однопролетные панели, проводили совместно со специалистами ПАО «Туполев» и ФГУП «ЦАГИ». Конструктивно-подобный образец размерами 455,5600 мм торцевыми плоскостями устанавливали на опорную плиту испытательной машины таким образом, чтобы центр жесткости сечения, приведенного по модулю упругости, совпадал с центральной силовой линией нагружающих плит испытательной машины; верхняя плита была снабжена регулируемой шарнирной опорой.
Испытания проводили на электромеханической испытательной машине RIEHLE-300 (максимальная нагрузка 3000 кН).
Контроль над возможным эксцентриситетом и равномерностью нагружения по ширине конструктивно-подобного образца осуществляли с помощью тензорезисторов, установленных по схеме (рисунок 2.2, а).
Проводили измерения осевых деформаций всей панели (Р-Ы) и отклонений из плоскости (Р-Af) лазерными датчиками линейных перемещений, которые были установлены в центральном сечении образца (рисунок 2.2, б).
Тензорезисторы и датчики линейных перемещений фиксировали начало искривления (местную потерю устойчивости) обшивки, ее развитие и потерю несущей способности конструктивно-подобного образца из слоистой гибридной панели в целом.
Оценка остаточных напряжений
Основываясь на анализе литературных данных [75-79], учитывая накопленный опыт исследований СИАЛов [80-84], полуфабрикатов из Al-Li сплавов, технологию изготовления и условия эксплуатации обшивки крыла самолета, толщину середины монолитной обшивки центральной части крыла самолета Ту-204 5-6 мм, и анализ зарубежной информации [65-68, 85], для настоящего экспериментального исследования были выбраны компоненты для использования в составе слоистого гибридного материала применительно к обшивкам панелей крыла: алюминий-литиевые листы и клеевые препреги.
Выбор марки сплава металлических листов основывался на том, что применение Al-Li сплавов 1441 и В-1469 в составе слоистого гибридного материала обеспечит: - снижение плотности материала за счет пониженной плотности Al-Li сплавов: среднепрочного сплава 1441 с d 2,59 г/см3 и высокопрочного сплава В-1469 с d 2,67 г/см3; входящие в состав гибридного материала клеевые препреги с низкой плотностью (d 1,6-2,0 г/см3) также способствовали снижению плотности гибридного материала; - повышение прочности, как суммарный эффект от прочности листов из Al-Li сплавов и стеклянных волокон; - повышение предела текучести, благодаря применению в структуре гибридного материала листов из Al-Li сплава В-1469 с высоким пределом текучести (0,2 510 МПа); - увеличение модуля упругости материала за счет высокого модуля листов из Al-Li сплавов (Е = 78-80 ГПа), а также использования в структуре внешних (наружных) листов увеличенной толщины.
Из разработанных ФГУП «ВИАМ» СИАЛов (на листах сплавов Д16, 1163, В95пч, 1441) был выбран СИАЛ на листах из алюминий-литиевого сплава 1441, имеющего технологические возможности прокатки листов до минимальной толщины 0,3 мм, и внешние листы для пакета - из Al-Li сплава повышенной прочности В-1469. При сравнительной оценке с традиционными алюминиевыми листами выбор Al-Li материалов обеспечивает суммарное снижение весовых характеристик в пакете листа до 10 %.
Высокое сопротивление развитию трещины усталости в гибридном материале обеспечивалось благодаря многослойной структуре, в т.ч. чередованию внутренних тонких металлических листов и слоев стеклопластика.
Были исследованы свойства Al-Li полуфабрикатов, входящих в состав слоистых гибридных материалов, результаты представлены в таблице 3.1.
Характеристики Лист В-1469Т1 Лист 1441Т11 Прессованный профильВ-1469Т1 Толщина, мм 0,5-1,8 0,3-1,5 5,0 Плотность d, г/см3 2,67 2,59 2,67 Временное сопротивление В, МПа 550-560 440-450 580-590 Предел текучести при растяжении од, МПа 510-520 330-340 550-560 Модуль упругости при растяжении Е, ГПа 78 79 78 Модуль упругости при сжатии Есж, ГПа 79 80 79 Предел текучести при сжатии _о,2, МПа 520-530 340-350 560-570 Относительное удлинение 5, % 10,5-11,5 7,0-8,0 8,0-9,0 СРТУ (dl/dN), мм/кцикл (при К=31 МПам) 2,8 (ДП) 1,7 (ДП) 2,5 (ДП) МЦУ: Nср, кцикл (ґ=5 Гц, mах=157 МПа) 280-300 300-320 280-300 - применен в качестве стрингеров для конструктивно-подобных образцов При изготовлении гибридных слоистых материалов используются клеевые препреги, которые состоят из клеевого связующего и армирующего стеклонаполнителя в виде ткани или ровинга, в т.ч. на основе высокомодульных волокон (рисунок 3.1). В зависимости от свойств, предъявляемых к композиционному материалу, подбираются клеевые препреги с определенным объемным содержанием стеклонаполнителя и клеевого связующего [86-90].
Для создания слоистого гибридного материала были подобраны и использованы следующие клеевые препреги: КМКС-2м.120.Т64.55, КМКС-2м.120.Т60.37, КМКС-2мР.120.РВМПН.ЗО с разным содержанием армирующего стеклонаполнителя. Для трехосного напряженного состояния конструкции использование в составе пакета стеклопластика на ткани Т64 с перекрестным плетением приведет к уменьшению СРТУ в разных направлениях. Учитывая также, что в структуре слоистого крыльевого материала толщина внешних листов (1,5 -2,0 мм) примерно в 5 раз больше, чем внутренних тонких листов (0,3 - 0,5 мм) с составе СИАЛа, для их приклеивания требуется клеевой препрег с пониженным содержанием армирующего стеклонаполнителя ( 28-32 об. %), обеспечивающий максимальный уровень прочности при сдвиге клеевых соединений.
Прочность при сдвиге клеевых соединений листов из Al-Li сплава В-1469Т1 и клеевого препрега КМСК-2м.120.Т64 с разным объемным содержанием армирующего наполнителя приведена в таблице 3.2. Показано, что для достижения максимальной прочности при сдвиге тВ (-33 МПа) требуется клеевой шов из двух слоев (каждый толщиной 16 мкм) клеевого препрега с содержанием армирующего наполнителя 30 об. % .
Формование листовых заготовок из слоистого гибридного материала
Для разработки конструктивно силовой схемы слоистой гибридной панели (рисунок 5.3) был использован сравнительный анализ напряженно-деформируемого состояния типового фрагмента панели прототипа и фрагмента слоистой гибридной панели. Сравнительный анализ напряженно-деформируемого состояния проводился методом конечных элементов. Были построены конечно-элементные модели каждого фрагмента. В качестве материала обшивки панели прототипа и его усиливающего элемента в расчете был принят материал верхней панели центроплана - листы и прессованные профили из алюминиевого сплава В95очТ2; для слоистой гибридной панели - обшивка из гибридного слоистого материала структуры № ю на базе листов из Al-Li сплавов В-1469Т1 и 1441Т11, определенная в результате исследований десяти экспериментальных структур, для усиливающего элемента - прессованный стрингер из сплава В-1469Т1.
Для упрощения построения и расчета конечно-элементной модели панели прототипа был взят фрагмент, представляющий собой четырехстрингерную панель размером 455,5600 мм. С учетом нагруженности панели прототипа самолета Ту-204 максимальные напряжения возникают в районе стрингеров № 15 - № 16 (нервюры № 1, 2), при этом средние нормальные напряжения (обшивка + стрингер) в районе стрингера № 16 равны az - 360 МПа, а суммарный поток нормальных сил qz - 3000 Н/мм [118]. Сжимающие нагрузки, возникающие от потока qz - 3000 Н/мм в верхней панели центроплана, существенно превосходят нагрузки в других направлениях qх и qу, поэтому при выборе силовой схемы нагружения слоистой гибридной панели в качестве расчетных приняты сжимающие нагрузки от потока qz.
По существующей методике специалистами ПАО «Туполев» были выполнены расчеты несущей способности при сжатии фрагмента панели прототипа и фрагмента слоистой гибридной панели. К обоим фрагментам вдоль стрингеров в программе расчета были приложены сжимающие нагрузки, соответствующие потоку qz = - 3000 Н/мм (обшивка + стрингер).
Разработанная конструктивно-силовая схема позволила провести моделирование площади поперечного сечения усиливающего элемента при заданной толщине обшивки из слоистого гибридного материала.
Расчет несущей способности слоистых гибридных панелей на сжатие провели на основе методики расчета панелей из металлических материалов, принятой в ПАО «Туполев», при этом механические характеристики обшивки были приняты как для слоистого гибридного материала структуры № 10 и обшивка рассматривалась, как монолитный материал [118, 119].
Потерю устойчивости стрингера с обшивкой определяли как потерю устойчивости шарнирно-опертого стержня, длина которого равна расстоянию между соседними нервюрами. При этом учитывалась потеря устойчивости обшивки между стрингерами, местная форма потери устойчивости отдельных полок стрингера, общая форма потери устойчивости стрингера с присоединенной обшивкой.
При разработке конструктивно-силовой схемы фрагмента слоистой гибридной панели учитывались следующие факторы: - Фрагмент слоистой гибридной панели на сжатие состоит из обшивки из слоистого гибридного материала с четырьмя стрингерами и имеет габаритные размеры 455,5600 мм; структурная схема приведена на рисунке 5.4; - Стрингер представляет собой прессованный профиль Z-образной формы (шифр ПР105-7) из высокопрочного Al-Li сплава В-1469Т1; стрингера расположены, как в прототипе, вдоль длинной стороны с шагом tстр=142,5 мм; - Обшивка из слоистого гибридного материала (структура № 10) состоит из двух внешних листов толщиной 1,5 мм из высокопрочного Al-Li сплава В-1469Т1, прослоек стеклопластика из клеевого препрега на ткани Т64 и алюмостеклопластика СИАЛ-1-1Р (на тонких листах толщиной 0,35 мм из Al-Li сплава 1441Т11 с прослойками стеклопластика с клеевым препрегом на стеклоровинге КМКС-2мР.120.РВМПН.30) в конфигурации (3/2). Суммарная номинальная толщина обшивки -5,0 мм; - Расчетная несущая способность слоистой гибридной панели на сжатие должна соответствовать несущей способности выбранному прототипу, т.е. быть не менее qн.с« 3000 кН/м; - Панель с шагом нервюр 600 мм (испытание панели на сжатие и сравнение расчета с экспериментом), геометрия стрингера приведена на рисунке 5.5 (а); - Панель с шагом нервюр 792 мм (как у прототипа, для оценки весовой эффективности применения обшивки из слоистого гибридного материала), геометрия стрингера приведена на рисунке 5.5 (б).
Основываясь на свойствах обшивки из разработанного слоистого гибридного материала (структура № 10) и свойствах прессованного профиля из сплава В-1469Т1, специалистами ПАО «Туполев» были проведены расчеты несущей способности панели четырехстрингерного образца из фрагмента слоистой гибридной панели (таблица 5.1) [120-124]. При этом расчетная величина несущей способности при сжатии аналогичного четырехстрингерного образца, выполненного из сплава В95очТ2, составляет 1570 кН.