Содержание к диссертации
Введение 4
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 18
ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ ПРИ СОЗДАНИИ И МОДИФИКАЦИИ
ГАЗОТУРБИННЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
1.1 Выбор объектов внедрения полимерных композиционных 18
материалов в конструкции серийных (ПС-90А, ДЗОКУ-154) и
перспективных (ПС-90А12) газотурбинных авиационных
двигателей
1.2 Выбор и обоснование технологий полимерных композиционных 34
материалов для создания элементов и узлов газотурбинных
авиационных двигателей
Основные результаты и выводы по главе 38
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 39
Структура и свойства полимерных композиционных материалов 39 для деталей и узлов газотурбинных авиационных двигателей
Расчетная методика определения деформационных и прочностных 50 свойств полимерных композиционных материалов
Расчетная методика подтверждения ресурса деталей и узлов 60 газотурбинных авиационных двигателей из полимерных композиционных материалов
Основные результаты и выводы по главе 73
3. СТРУКТУРНО-ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ 74
ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА МАТЕРИАЛ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Структурно-феноменологические модели механического 74 поведения композитных корпусных деталей газотурбинных авиационных двигателей при эксплуатационных нагрузках
Структурно-феноменологические модели и критерии оценки 81 статической и усталостной прочности композитных корпусных деталей газотурбинных авиационных двигателей
3 Прогнозирования прочности и ресурса композитных корпусных 93
деталей газодинамических авиационных двигателей с помощью
структурно-феноменологические модели накопления повреждений
Основные результаты и выводы по главе 106
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ КОНСТРУКТОРСКО- 108
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПКМ
Типовые технологические схемы создания корпусных деталей 110 газотурбинных авиационных двигателей
Конструкторско-технологические схемы создания корпусных 117 деталей газотурбинных авиационных двигателей с элементами шумозащиты
3. Конструкторско-технологические схемы создания монослойных 134
конструкций
Основные результаты и выводы по главе 136
Заключение 138
Список литературы 140
Введение к работе
Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях авиационных двигателей для гражданской авиации началось значительно позднее, чем в конструкциях корпусных деталей и узлов планера самолета. Это обусловлено особенностями существующих конструкций двигателей, относительно небольшими габаритами и сложной формой деталей, наличием большого количества фланцевых соединений, многообразием действующих нагрузок и другими факторами. Особым препятствием на пути широкого внедрения композитов являлась традиционная ориентация конструкторов двигателей на технологические методы изготовления деталей из металлов, которые существенно отличаются от методов изготовления деталей из композитов. Первые опытные композитные детали турбовентиляторных двигателей появились в начале 1990-х годов. Это были такие детали как обтекатель вентилятора и детали мотогондолы. В течение 1989-1995 годов группой предприятий г. Перми во главе с ОАО "Авиадвигатель" (прежние названия ПНПО "Авиадвигатель", Моторостроительное конструкторское бюро) была разработана и частично реализована программа внедрения полимерных композиционных материалов в конструкции турбовентиляторных двигателей ПС-90А, ДЗОКУ-154. Было спроектировано около 15 композитных узлов двигателей, полностью взаимозаменяемых с металлическими аналогами, что позволило производить отработку конструкций композитных деталей и наработку ресурса на серийных двигателях. Десять типов композитных узлов было изготовлено, несколько узлов прошли необходимый объем испытаний и были сертифицированы для установки в серийных двигателях и последующей эксплуатации в системе гражданской авиации. Несмотря на то, что металлические аналоги изготавливаются из легких алюминиевых и титановых сплавов, применение ПКМ позволило получить снижение веса в
среднем 15-20% на каждый узел. Общее снижение массы двигателя ПС-90А после полного завершения программы внедрения полимерных композиционных материалов должно было составить более 200 килограммов. При установке двигателей на самолет ИЛ96-300 это дает увеличение коммерческой нагрузки более чем на 800 кг при тех же эксплуатационных затратах, т.е. снижение стоимости перевозок. Основной эффект снижения массы деталей был достигнут за счет применения в конструкциях деталей композитных фланцев, которые традиционно в конструкциях узлов летательных аппаратов проектируют и изготавливают из металлических сплавов. К середине 1990-х годов работа пермского куста предприятий по широкомасштабному применению ПКМ не имела аналогов в мировом авиадвигателестроении.
Производство изделий из композиционных материалов до начала 90-х годов было обширной и стабильной частью российской экономики. Технологии и оборудование для производства композитных изделий имелись (и остаются на сегодня) примерно на десятке предприятий Пермского края, среди которых завод "Машиностроитель", ОАО "Искра", Уральский НИИ композиционных материалов, ОАО "Мотовилихинские заводы", завод им. С.М.Кирова, НИИПМ, ПНИТИ, Уральский филиал ГИПХ, ОАО "Привод" и др. Однако все многотоннажное производство было ориентировано исключительно на нужды оборонной промышленности и космоса, производственные мощности предприятий были перегружены оборонными заказами. Поэтому предпринятые ОАО "Авиадвигатель" попытки в середине 1980-х начать применение композитов в конструкциях авиадвигателей для пассажирских самолетов не могли быть реализованы на предприятиях Пермского региона. С конца 1980-х годов в связи с политикой конверсии оборонных производств высвободилось значительное количество производственных мощностей. В 1989 году ОАО "Авиадвигатель", УНИИКМ и завод "Машиностроитель" подписали несколько соглашений о
развертывании работ по внедрению композитов в конструкцию двигателя ПС-90А и распределении функций. Пермский государственный технический университет приступил к разработке компьютерных моделей композитных деталей авиадвигателей, в частности фланцевых соединений. Началось проектирование, производство, испытания и сертификация композитных узлов и коммерческая эксплуатация некоторых из них на рейсовых самолетах Аэрофлота.
Экономический спад середины 1990-х годов в России практически остановил НИОКР по внедрению полимерных композиционных материалов в конструкцию авиационных двигателей. В связи с резким сокращением к середине 1990-х годов заказов на отечественную авиационную технику эти работы были практически свернуты. Остались нерешенными многие теоретические, методологические, конструкторские, технологические и организационные вопросы проектирования и изготовления композитных узлов авиационных двигателей, многие конструкторские наработки остались нереализованными.
В настоящее время ожидается подъем спроса на отечественную авиационную технику. На ближайшие годы потребность российского рынка оценивается в 10-30 двигателей в год для установки на самолеты ИЛ-96-300, ТУ-204 и их модификации. Двигатель ПС-90А является единственным российским двигателем, производящимся серийно и сертифицированным для полетов практически во все аэропорты мира. Планеры российских самолетов ТУ-204 и ИЛ-96-300 превосходят по летным характеристикам зарубежные аналоги. Они востребованы на мировом рынке, а трудности в продвижении на этот рынок связаны, в основном, с нерыночными методами конкурентной борьбы со стороны зарубежных самолетостроительных компаний. Двигатель ПС-90А является единственным российским сертифицированным двигателем для установки на эти самолеты. Установка на них модифицированных двигателей с большим количеством узлов из ПКМ увеличит коммерческую
нагрузку, повысит конкурентоспособность этих самолетов на рынке и увеличит экспортный потенциал российской авиационной промышленности. Отдельный сегмент рынка композитных узлов для авиадвигателей представляет перспектива производства нового турбовентиляторного двигателя для среднемагистральных самолетов. Некоторые узлы этого двигателя, такие как широкохордная рабочая лопатка вентилятора, могут быть изготовлены только из композиционных материалов.
В России имеются все необходимые и достаточные предпосылки для организации технологического кластера предприятий по производству композитных узлов авиадвигателей, на котором будет сосредоточен весь производственный цикл - проектирование, производство, сопровождение в эксплуатации, ремонт и утилизация выработавших ресурс изделий. Рост заказов на авиационную технику будет иметь большое значение для экономики регионов. Получат загрузку простаивающие мощности предприятий. Кроме восстановления рабочих мест это дает сохранение и дальнейшее развитие уникальных технологий. Производство крупногабаритных изделий из ПКМ, каковыми являются детали мотогондолы и другие узлы авиадвигателей, требует большого количества крупногабаритной технологической оснастки. Заказы на изготовление такой оснастки могут быть размещены на металлообрабатывающих предприятиях.
На сегодняшний день имеется значительный научно-технический и технологический задел, опыт производственной кооперации машиностроительных предприятий, свободные производственные мощности и помещения, необходимое, в том числе уникальное, оборудование для серийного изготовления композитных узлов авиадвигателей, что исключает необходимость капитального строительства и значительных капитальных вложений.
Для успешного внедрения новых полимерных композиционных материалов в конструкцию перспективных авиационных двигателей
необходимо развитие комплексного научного подхода к проектированию, отработке и организации производства композитных деталей и узлов с последовательным и интенсивным применением методов математического моделирования и вычислительных экспериментов.
Целью настоящей работы являлось создание научных основ внедрения современных полимерных композиционных материалов в элементах и узлах перспективных газотурбинных двигателей. Для создания научных основ в диссертации решены следующие задачи: 1. выполнено обоснование и выбраны объекты поэтапного внедрения ПКМ
в конструкции современных и перспективных газотурбинных
двигателей; 2. предложены расчетно-экспериментальные методы определения
требуемого комплекса характеристик ПКМ полимерных
композиционных материалов, необходимых для расчета конструкций;
разработаны наиболее рациональные принципиальные конструкторско-технологические схемы для материал-деталей из ПКМ перспективных авиационных двигателей;
разработаны методики и алгоритмы расчета и подтверждения запасов прочности и ресурса работы деталей из ПКМ на основе структурно-феноменологических моделей.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. На основе анализа современных технологий ПКМ и общих тенденций их развития обоснован перечень элементов и узлов для поэтапного внедрения ПКМ в конструкцию перспективных газотурбинных авиационных двигателей ПС-90А2, ПС-12, Д30КУ-154 с обеспечением полной взаимозаменяемости композитных и серийных металлических узлов. В качестве первоочередных объектов внедрения предложена номенклатура корпусных деталей и узлов наружного контура и мотогондолы авиадвигателей,
определены уровни снижения массы (20-30%) соответствующих деталей, узлов и конструкции в целом при внедрении композиционных материалов.
2. Сформулированы принципы формирования структуры и свойств
материал - деталей из ПКМ авиационных двигателей. Предложены
современные расчетно-экспериментальные методики, на основе
которых проведены исследования и определены комплексы
механических свойств ПКМ, требуемых для расчета прочности и
ресурса деталей и узлов.
3. Проведена классификация и разработаны принципиальные
конструкторско-технологические схемы для трех групп материал -
деталей авиационных газотурбинных двигателей из полимерных
композиционных материалов. На основе анализа накопленного
опыта создания композитных деталей и узлов для авиадвигателя
ПС-90 разработаны научно обоснованные технические требования
для типовых технологических операций изготовления композитных
деталей перспективных газотурбинных авиационных двигателей.
Разработаны конструкторско-технологические схемы для материал-
деталей из ПКМ системы шумозащиты авиационного
газотурбинного двигателя ДЗОКУ-154, превышающей по основным
показателям эффективности (массовым, технологическим и
акустическим) существующие аналоги из металлов.
4. Проведены расчеты, определены запасы прочности и ресурса
работы типичных материал — деталей из ПКМ корпуса внутренней
обшивки авиадвигателя. Установлено, что применение ПКМ
позволяет обеспечить требуемый запас статической и усталостной
прочности проектируемых корпусных деталей.
Достоверность основных научных положений и выводов, полученных в диссертации, подтверждена данными экспериментов на образцах материалов,
а также опытом эксплуатации первых корпусных материал - деталей из полимерных композиционных материалов для современного газотурбинного авиационного двигателя ПС-90.
Практическая ценность. Научные и технические рекомендации, конструкторско-технологические схемы, методики расчета и проектирования материал - деталей из ПКМ для современных и перспективных газотурбинных авиадвигателей внедрены в практику опытного и серийного производства в Уральском НИИ композиционных материалов (г. Пермь). Четыре корпусные детали из ПКМ, разработанные в Уральском НИИ композиционных материалов (г. Пермь), прошли опытную эксплуатацию в составе газотурбинного авиационного двигателя ПС-90. Ресурс налета деталей из ПКМ, к настоящему времени, составил более 10000 часов, указанные детали эксплуатируются без существенных замечаний и отказов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции "Космические исследования, технологии и конверсия-П" (Узбекистан, Ташкент, 1997), на НТС ОАО «Внуковский авиаремонтный завод» (Москва, 2005), НТС ОАО «Авиадвигатель» (Пермь, 2006), секции «Материаловедение» НТС Федерального космического агентства (Москва, 2006), IX и X Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии" (Пермь, 2006, 2007), на XXIIV ежегодной международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком, Ялта, 2007), на Международной научно-технической конференции ПОЛИКОМТРИБ-2007 (Гомель, 2007),. Диссертация в завершённом виде докладывалась и обсуждалась на научных семинарах кафедр механики композиционных материалов и конструкций (руководитель - профессор Ю.В. Соколкин, 2007, 2008 г.г.), динамики и прочности машин (руководитель - профессор Г.Л. Колмогоров, 2008 г.) Пермского
государственного технического университета и НТС Уральского НИИ Композиционных материалов (2007, 2008 г.г.).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в трех статьях, пяти тезисах докладов, по теме диссертации получено два патента на изобретение и одна заявка на выдачу патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения и списка литературы. Работа включает 148 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 9 таблиц. Общий объем диссертации составляет 146 страниц. Библиография включает 91 наименование.
Во введении приведён обзор современного состояния исследования. Отмечается, что применение ПКМ в конструкциях авиационных двигателей для гражданской авиации началось значительно позднее, чем в конструкциях корпусных деталей и узлов планера самолета. Это обусловлено особенностями существующих конструкций двигателей, относительно небольшими габаритами и сложной формой деталей, наличием большого количества фланцевых соединений, многообразием действующих нагрузок и другими факторами. Особым препятствием на пути широкого внедрения композитов являлся традиционный подход конструирования двигателей, опирающийся на технологические методы изготовления деталей из металлов, существенно отличающихся от технологии композиционных материалов. Для дальнейшего широкомасштабного внедрения ПКМ в конструкцию перспективных авиационных газотурбинных двигателей необходима разработка научных основ, позволяющих найти оптимальные проектные решения, сократить время и снизить материальные затраты на экспериментальную отработку новых композитных конструкций. На основе анализа современного состояния вопроса исследования обоснована актуальность проблемы разработки научных основ внедрения современных ПКМ в элементах и узлах перспективных газотурбинных двигателей. Сформулирована цель диссертационной работы, поставлены задачи, решение
которых необходимо для успешного внедрения ПКМ в конструкцию авиационных газотурбинных двигателей, отмечены полученные новые научные результаты. Дана краткая аннотация содержания диссертации по разделам.
В первом разделе диссертации рассмотрены конструкции узлов серийного двигателя ПС-90А для дальнемагистральных самолетов, вновь проектируемого двигателя ПС-12 для среднемагистральных самолетов и серийного двигателя ДЗОКУ-154 для среднемагистральных самолетов с точки зрения возможности технически оправданного и экономически целесообразного использования композитов. Проанализированы технические требования и условия работы различных деталей и узлов авиационных двигателей и определены типы современных и перспективных ПКМ отвечающих данным требованиям. Даны оценки возможности применения выбранных материалов с учетом реализуемости композитных конструкций на имеющихся технологических и производственных мощностях российских предприятий. Предложена и обоснована номенклатура деталей и узлов для поэтапной отработки и внедрения композиционных материалов в конструкцию двигателей ПС-90А и ПС-12. Отмечено, что наиболее перспективными для замены металлических узлов на композитные аналоги являются детали мотогондолы, наружного контура, сопла и реверса. Показано, что применение ПКМ обеспечивает снижение массы соответствующих деталей и узлов газотурбинных авиационных двигателей на 20-30%. В разделе отмечены сложности внедрения ПКМ в узлы авиадвигателей обусловленные тем обстоятельством, что к началу работ по композитам указанные двигатели уже производились серийно и эксплуатировались на коммерческих авиалиниях. Поэтому внедряемые композитные узлы должны были быть полностью взаимозаменяемыми с металлическими аналогами. Обычно, при внедрении композитов требуется некоторая перекомпоновка деталей, особенно узлов крепления и заделки.
Невозможность такой конструктивной доработки потребовала разработки цельнокомпозитных фланцев и соответствующей технологии формования.
В разделе рассмотрены проблемы создания модифицированной системы шумогашения газотурбинного двигателя ДЗ ОКУ-154 и предложена новая конструкторско-технологическая схема композитного кожуха авиадвигателя. Приводится сравнение эффективности технологических решений и обеспечения параметров шумогашения и массовых затрат по сравнению с металлическими аналогами. Разработаны рекомендации по межведомственной кооперации российских промышленных предприятий в проектировании и производстве узлов из ПКМ, минимизирующие потребности в проектировании и изготовлении нестандартного оборудования и оснастки.
Во втором разделе разработаны научные основы применения ПКМ в элементах и узлах современных и перспективных авиационных газотурбинных двигателей. На основе анализа требований, предъявляемым к узлам и деталям авиационных двигателей, и условий их работы определен перечень предлагаемых к использованию ПКМ. Выбраны типы армирующих наполнителей и полимерных матричных композиций для создания новых материалов, обладающих улучшенным комплексом свойств и удовлетворяющих требованиям к перспективным авиационным газотурбинным двигателям. Изучены принципы формирования структуры и свойств ПКМ в типовых технологических процессах изготовления деталей и узлов газотурбинных двигателей. Дано научное обоснование контролируемых физико-механических свойств и параметров технологических процессов, применяемых при изготовлении композиционных деталей авиационных двигателей. Выбраны методики экспериментального определения физико-механических свойств. Представлены обобщенные экспериментальные данные по механическим
испытаниям композиционных материалов, определен и обоснован комплекс физико-механических свойств ПКМ, используемых в последующих расчетах.
Рассмотрен альтернативный способ оценки физико-механических характеристик ПКМ на основе прогнозирования поведения материала при сложной системе нагрузок. Представлены результаты прогнозирования деформационных свойств и прочности ПКМ, используемых при создании корпусных деталей авиадвигателей, с помощью современных математических моделей механики материалов. Получены расчетные значения деформационных свойств однонаправленных стекло-, органо- и углепластиков, описывающие их поведение при сложном напряженном состоянии. Для оценки прочности и подтверждения ресурса работы композитных деталей и узлов авиационных двигателей предложено использовать структурно-феноменологические модели композитов, включающие кинетические уравнения накопления повреждений.
Примененные в диссертации модели позволяют выявить внутренние резервы статической и усталостной прочности и получить более полное подтверждение ресурса композитных деталей и узлов, нежели получаемое с помощью традиционного критерия «наислабейшего звена». Таким образом, с использованием ряда экспериментальных и расчетных методик в диссертации определен полный комплекс требуемых упругих технических постоянных и параметров прочности исследованных ПКМ. Разработаны алгоритмы для подтверждения прочности и ресурса работы композитных деталей авиадвигателей.
В третьем разделе рассмотрены структурно-феноменологические модели, используемые для подтверждения прочности и ресурса корпусных деталей из ПКМ газотурбинных авиационных двигателей. Описана система сосредоточенных и распределенных нагрузок, действующих на корпусные детали в процессе работы двигателя. Отмечено, что наиболее нагруженными элементами корпусных деталей являются узлы соединений, поэтому в
качестве расчетных схем корпусных деталей из ПКМ приняты участки деталей, включающих фланцевые узлы.
Рассмотрены виды переменных нагрузок, действующих на корпусные детали, для последующих расчетов выбраны наиболее опасные переменные нагрузки максимальной амплитуды, действующие в режиме работы двигателя «взлет-посадка», и вибрационные нагрузки, обладающие максимальной частотой. В разделе приведена постановка задачи оценки статической и усталостной прочности композитных фланцев. Для решения данной задачи использовался оригинальный программный комплекс, разработанный в Пермском государственном техническом университете. Представлены результаты анализа полей напряжений в слоях типичных композитных корпусных деталей обшивки авиадвигателя ПС-90А. Приведена постановка задачи для оценки усталостной прочности и ресурса работы композитных корпусных деталей на основе моделирования процессов накопления повреждений в слоях композитных деталей при переменных нагрузках. Проведён анализ результатов моделирования разрушения типичных композитных корпусных деталей при переменных нагрузках с максимальной амплитудой. Отмечено, что все рассмотренные детали обладают значительными резервами несущей способности, окончательная наработка в несколько раз превосходит число циклов нагружения к началу разрушения слоев. При этом анализ повреждённости показал, что разрушение происходит, как правило, по типу поперечного отрыва, и лишь при достижении значительной наработки происходит полная потеря несущей способности материала. На основе полученных результатов, используя известные в литературе экспериментальные зависимости пределов усталостной выносливости стеклопластика при различных параметрах циклов нагружения, найдена оценка наработки до первого акта разрушения фланцев при типичных вибрационных нагрузках, которая составила порядка 109 циклов нагружения. Таким образом, оценки ресурса типичных материал -
деталей из ПКМ для авиационных газотурбинных двигателей, показывают, что данные детали удовлетворяет требованиям технического задания.
Четвертый раздел посвящен разработке конструкторско-технологических схем изготовления и модернизации деталей и узлов из ПКМ авиационных двигателей. В разделе рассмотрены принципиальные отличия технологий производств деталей и узлов изделий из композиционных материалов от технологий металлообработки традиционных машиностроительных производств. Отмечено, что основные отличия связаны тем, что изделие из композиционного материала создается одновременно с материалом, из которого оно «изготовлено», в едином технологическом процессе. В результате свойства материала в изделии зависят не только от исходного сырья, но также и от конструктивной схемы и от технологического процесса изготовления. В свою очередь особенности технологии изготовления композитных деталей оказывают существенное влияние и на конструкцию деталей, накладывают определенные ограничения на возможную форму, габариты, возможности механической обработки, точности исполнения размеров, методы контроля качества, способы транспортировки и т.д. Поэтому процесс конструирования и технология изготовления в случае композитов взаимосвязаны и взаимно переплетены.
Для эффективного проектирования и создания композитных деталей и изделий в диссертационной работе обоснована необходимость разработки научно обоснованных специальных технических документов -конструкторско-технологических схем. Данные документы должны отражать взаимосвязь конструкторских решений, технологических параметров, научно обоснованных технических требований и контролируемых параметров.
В данном разделе диссертации рассмотрены типичные конструктивные и технологические особенности и проведена соответствующая классификация деталей и узлов газотурбинных авиационных двигателей. В результате исследований выделены три группы деталей из ПКМ для
авиационных газотурбинных двигателей. Приведена номенклатура и рассмотрены основные конструкторские и технологические особенностей типичных материал - деталей каждой группы. Приведены обоснованные технические требования для типовых технологических операций изготовления композитных деталей перспективных газотурбинных авиационных двигателей.
Рекомендации и технологические разработки, представленные в настоящем разделе, внедрены в практику серийного изготовления композитных деталей и узлов во ФГУП "Уральский НИИ композиционных материалов" и ФГУП «Завод «Машиностроитель» (г. Пермь).
В заключении сформулированы основные научные результаты выполненных исследований и рекомендации для поэтапного внедрения современных ПКМ в . конструкцию перспективных газотурбинных авиационных двигателей.
