Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Поддержание летной годности парка вертолетов Ми-26Т . в ГА РФ 12
1.1. Методы поддержания летной годности «стареющей» авиационной техники 12
1.2. Вертолет Ми-26Т, парк вертолетов в ГА, ресурсное состояние парка, особенности конструкции, эксплуатации и технического обслуживания 13
1.3. Материал 01420, его свойства и применение 21
1.4. Методы теории вероятностей и математической статистики, используемые при изучении кинетики накопления повреждений конструкции вертолета 24
1.5. Методы исследования кинетики трещин и воспроизведение эксплуатационных нагрузок при стендовых испытаниях 27
1.6. Математические модели скорости роста усталостных трещин, используемые в работе 30 1.7. Выводы 32
Глава 2. Систематизация усталостных трещин фюзеляжа вертолета Ми-26Т на основе анализа материалов по оценке технического состояния .35
2.1. Трещины шпангоутов, нервюр и обшивок 35
2.2. Трещины стрингеров 41
2.3. Выводы .52
Глава 3. Распределение количества трещин стрингеров из материала 01420 по фюзеляжу вертолета Ми-26Т и особенности их накопления в процессе эксплуатации 54
3.1. Распределение количества трещин стрингеров по фюзеляжу .55
3.2. Распределение количества трещин стрингеров по наработкам 69
3.3. Проверка статистических гипотез 72
3.4. Корреляция процессов накопления трещин в различных зонах фюзеляжа 76
3.5. Длина обнаруживаемых трещин и динамика нарастания количества трещин в одном отсеке .83
3.6. Процесс возникновения трещин стрингеров как пуассоновский поток событий .87
3.7. Выводы .89
Глава 4. Оценка скорости развития трещин в стрингерах из материала 01420 вертолета Ми-26Т .92
4.1. Измерение скорости роста трещин на эксплуатирующихся вертолетах .92
4.2. Стендовые испытания элементов «обшивка - стрингер» 98
4.3. Фрактографические исследования .114
4.4. Выводы .120
Глава 5. Математические модели развития трещин стрингеров из материала 01420 122
5.1. Сопоставление результатов статистической обработки распределения количества трещин, натурных и стендовых испытаний .122
5.2. Расчет кинетики трещин с применением существующих моделей 123
5.3. Экспериментальная модель развития трещины в стрингере 130
5.4. Выводы 134
Заключение 136
Литература
- Материал 01420, его свойства и применение
- Трещины стрингеров
- Распределение количества трещин стрингеров по наработкам
- Стендовые испытания элементов «обшивка - стрингер»
Материал 01420, его свойства и применение
Проблема обеспечения безопасной эксплуатации авиационной техники за пределами установленных при изготовлении ресурсов и сроков службы является одной из важнейших в авиации как в России, так и во всем мире. Особенно она актуальна для вертолетного парка Гражданской Авиации, основу которого составляют вертолеты типа Ми-8 и Ми-26. Это обусловлено, в первую очередь, их уникальными летно-техническими характеристиками, а также экономическими причинами – дороговизной новых экземпляров и выполнения капитальных ремонтов.
Вопросам методологии обеспечения безопасной эксплуатации стареющих воздушных судов посвящены работы, М.С. Громова, Г.И. Нестеренко, В.Л. Райхера, А.Ф. Селихова, Ю.М. Фейгенбаума, А.И. Фролкова, В.С. Шапкина и др. [1-11]. Основой всех методик является обеспечение эксплуатационной живучести конструкции, которая включает в себя безопасность разрушения и допустимость повреждения. Безопасность разрушения – свойство конструкции обеспечивать остаточную прочность при разрушении или существенном повреждении силового элемента. Допустимость повреждения – сохранение конструкцией необходимой остаточной прочности заведомо до обнаружения повреждения [12]. Для соблюдения принципа допустимости повреждения, в отличие от безопасности разрушения, необходим расчет длительности роста трещины. Таким образом, увеличивается роль уточнения интервалов осмотров конструкции. Для обеспечения необходимой эксплуатационной живучести конструкция должна удовлетворять следующим требованиям: - должны быть определены силовые элементы, в которых в процессе эксплуатации могут происходить повреждения; - основные силовые элементы должны быть доступны для визуального контроля или для применения неразрушающих методов контроля; - остаточная прочность конструкции с допустимыми повреждениями должна быть не ниже минимальной нормируемой величины; - время развития трещины до предельного состояния в силовом элементе не должно превышать величины периодичности осмотра данного элемента; - периодичность осмотров и разрешающая способность средств неразрушающего контроля должны обеспечивать надежное обнаружение допустимых повреждений.
Силовые элементы конструкции вертолета Ми-26Т, в которых могут возникать повреждения, определены «Альбомом узлов планера, требующих повышенного внимания при выполнении технического обслуживания» [13]. В Альбом, в том числе, входят стрингеры и обшивки центральной части фюзеляжа, хвостовой и килевой балок, изготовленные из материала 01420. Данные элементы доступны для визуального контроля. Остаточная прочность конструкции стрингеров регламентируется Бюллетенем № 90.0605-БД-Г [14], введенным в действие в 1992 году. Периодичность выполнения бюллетеня – 1 раз в год. Однако опыт эксплуатации показывает, что указанная периодичность не обеспечивает безопасной эксплуатации вертолетов. При среднегодовом налете вертолета 300 часов осмотр и ремонт стрингеров необходимо выполнять значительно чаще. Одной из целей настоящей работы является уточнение и обоснование периодичности выполнения этих работ.
Большая емкость топливных баков, а также возможность установки дополнительных топливных баков в грузовой кабине позволяет эксплуатировать вертолет в широком диапазоне характеристик «Полезная нагрузка – Дальность полета». Вертолет используется на уникальных работах по перевозке грузов внутри фюзеляжа и на внешней подвеске. Основные виды применения: На 01.01.2013 парк вертолетов Ми-26Т в ГА РФ составлял 63 экземпляра, при этом реально эксплуатирующихся машин насчитывалось 40 (64%). Структура парка по управлениям представлена в таблице 1.1.
Трещины стрингеров
Обнаруженные трещины стрингеров были систематизированы по месту расположения и по наработке вертолета к моменту обнаружения. Такая систематизация произведена для каждого вертолета 1-й группы и для всех вертолетов 1-й группы в целом. В качестве примера в таблице 2.3 приведена карта трещин стрингеров концевой части ЦЧФ, хвостовой и килевой балок вертолета Ми-26Т RA-06180, составленная при наработке 2048 часов СНЭ.
Данная таблица представляет собой развертку фюзеляжа по отсекам (для наглядности остальная часть ЦЧФ не представлена). Здесь каждая клетка соответствует стрингеру между двумя соседними шпангуоутами. Число внутри клетки – количество обнаруженных на данном стрингере трещин. Таблицы заполняются после каждого осмотра. Так, например, для вертолета Ми-26Т RA-06180 после осмотра, проведенного при наработке 3809 часов, таблица, иллюстрирующая общее количество трещин, обнаруженных за все время эксплуатации и их распределение по фюзеляжу принимает вид таблицы 2.4. Сводные таблицы для всех вертолетов 1-й группы или карты трещин фюзеляжей, а также сводная карта трещин для всех вертолетов представлены в Приложении (таблицы 4 – 28). Типы трещин стрингеров.
По месту расположения трещин на стрингере их можно разделить на 2 группы: - трещины, развивающиеся от отверстия под заклепку и выходящие на край свободной полки стрингера (под свободной полкой понимается полка стрингера, не прилегающая к обшивке); - трещины на остальной части стрингера.
Трещины первой группы возникают в местах конструкции с применением заклепочных соединений – присоединительных кницах крепления стрингеров к шпангоутам, перестыковочных профилях, а также местах крепления к стрингерам различных устройств. Эти трещины распространяются от отверстия под заклепку и, как правило (99% случаев), выходят на край свободной полки стрингера, не имея дальнейшего развития. Длина таких трещин составляет 5-7 мм.
Трещины второй группы обычно возникают на краю свободной полки стрингера и развиваются перпендикулярно ей, либо по дуге. Размеры обнаруживаемых трещин составляют не менее 4 – 6 мм. В случае трещин на бульбообразных стрингерах длина вновь обнаруженных трещин, как правило, превышает размер бульбы. Скорость прохождения трещиной свободной полки (порядка сотен часов наработки) дает возможность ее своевременного обнаружения и устранения. Однако, учитывая величину стрингерного набора конструкции, обнаруживать трещины на ранних стадиях развития в условиях эксплуатации, особенно интенсивной, удается не всегда. Здесь следует отметить, что сама по себе трещина в стрингере, точнее на его свободной полке не представляет опасности. Опасным является переход трещины стрингера на прилегающую полку к обшивке. Еще более опасным является наличие трещин на соседних (или нескольких соседних) стрингерах, как следствие – возникновение трещины (или трещин) в обшивке в районе поврежденных стрингеров и возможность их дальнейшего слияния и роста до критического размера. Такой механизм развития трещины, приведший к катастрофе, зафиксирован в процессе эксплуатации вертолета Ми-26Т RA-06121 [83]. Это также подтверждается результатами испытаний фюзеляжа вертолета Ми-26Т, когда магистральная трещина обшивки КБ длиной 700 мм возникла между несколькими соседними разрушенными стрингерами [84].
Приложения представляет собой результат суммирования сводных таблиц 4 - 27 для отдельных вертолетов (для наглядности трещины днищевой панели хвостовой балки и концевой части ЦЧФ выделены в отдельную таблицу 29). В таблице 30 указано количество трещин по зонам фюзеляжа.
Исходя из данных таблиц 28 – 30, можно выявить некоторые особенности распределения трещин по фюзеляжу: - наибольшая концентрация обнаруженных трещин наблюдается в районе стыка хвостовой балки с ЦЧФ по правому борту в зоне от стрингера № 0 до стрингера № 13; - трещины практически отсутствуют в зоне между шп. № 13 – 17 ЦЧФ по правому борту и по левому борту килевой балки; - соотношение обнаруженных трещин по правому и левому бортам приблизительно 70% на 30%. Обобщая опыт осмотров вертолетов 1-й группы, приведем следующие данные: - наибольшее количество трещин, обнаруженных на вертолете за 1 осмотр, – 240 штук на вертолете Ми-26Т RA-06121 при наработке около 1800 часов; - наибольшее количество трещин на одном стрингере в одном отсеке – 13 штук на вертолете Ми-26Т RA-06121 при наработке около 1800 часов; - наименьшая наработка вертолета, при которой обнаруживались трещины – 455 часов СНЭ, вертолет Ми-26 зав. № 34001212160 (при осмотре перед вводом в реестр ГА), обнаружено 38 трещин. В процессе осмотров вертолета RA-06078 выявлено резкое увеличение количества трещин стрингеров из-за несвоевременного ремонта. На рис. 2.10 проиллюстирован процесс нарастания количества трещин стрингеров на вертолете Ми-26Т RA-06078 за период наработки 1641 – 2303 часа СНЭ. 50 30 10 1641
Распределение количества трещин стрингеров по наработкам
Рассмотрим следующую чисто практическую задачу. Предположим, что вертолет с наработкой 1500 часов восстанавливается после длительного хранения (например, 15 лет). Такая ситуация в последнее время весьма распространена. При исследовании фюзеляжа обнаруживается некоторое количество трещин, точное время возникновения которых неизвестно. При этом имеется совершенно объективное распределение количества трещин по всему фюзеляжу, построенное на основе более 100 исследований (варианты гистограмм, представленных на рис. 3.1) при различных наработках. Требуется оценить, насколько распределение трещин на восстанавливаемом вертолете (или в отдельных его зонах) соответствует установленному. Поскольку исследуемый вертолет имеет наработку 1500 часов, необходимо построить распределение для парка до этой наработки включительно. Используя имеющиеся данные, получаем распределение, представленное на рис. 3.5
Для этой оценки целесообразно воспользоваться так называемым критерием Колмогорова [36]. В качестве меры расхождения между теоретическим и статистическим распределениями критерий определяет максимальное значение модуля разности между статистической функцией распределения F (x) и соответствующей теоретической функцией распределения F(x):
В рассматриваемом случае теоретической является функция распределения, построенная для парка на основании данных гистограммы рис. 3.12. Далее, определяется величина где n — число независимых наблюдений, или число трещин, обнаруженных на восстанавливаемом вертолете. Для вычисленного таким образом находится вероятность P() того, что за счет чисто случайных причин максимальное расхождение между F (x) и F(x) будет не меньше, чем наблюдаемое фактически. Если вероятность P() мала, то гипотезу следует отвергнуть как неправдоподобную, а при сравнительно больших P() ее можно считать совместимой с опытными данными.
Проиллюстрируем возможность применения критерия Колмогорова на конкретном примере восстановления летной годности вертолета Ми-26Т RA-06015 после длительного хранения. Вертолет Ми-26Т RA-06015 зав. № 34001212303 выпущен 21.01.1989 (по дате выпуска и заводскому номеру попадает в группу наиболее неблагополучных с точки зрения трещин стрингеров вертолетов). Вертолет находился на хранении более 15 лет. На момент возникновения потребности в востановлении летной годности имел наработку СНЭ 1378 часов. Во время предварительного исследования технического состояния вертолета было обнаружено 152 трещины стрингеров из материала 01420. Обнаруженные трещины имеют распределение, представленное на рис. 3.6. Рис. 3.6. Распределение трещин на вертолете Ми-26Т RA--06015, обнаруженных при наработке 1378 часов СНЭ после длительного хранения
Требуется подтвердить или опровергнуть гипотезу о том, что техническое состояние фюзеляжа в части, касающейся распределения количества трещин стрингеров, не отличается от среднего состояния всего парка, иными словами, что трещины на рис. 3.6 распределены так же, как на рис. 3.5. Число независимых наблюдений и . Вычисление меры расхождения D дает величину 0,06, отсюда 1. По таблицам находим для полученного величину вероятности P(). В нашем случае это немного менее 0,7. Таким образом, гипотеза не противоречит полученным экспериментальным данным, и техническое состояние планера вертолета соответствует среднему техническому состоянию вертолетов парка с наработкой 1500 часов. Следовательно, можно с определенной вероятностью прогнозировать дальнейший процесс накопления трещин и распределения их по фюзеляжу данного конкретного вертолета при «средних» условиях эксплуатации.
Применим критерий согласия Колмогорова для оценки эквивалентности воспроизведения полетных нагрузок на испытательном стенде. Объектом испытаний является фюзеляж вертолета Ми-26Т RA-06010 (зав. № 34001212136), изготовленный 29.12.1987. На момент начала испытаний вертолет имел наработку 1113 часов СНЭ. Аналогично предыдущей задаче найдем величины D, и P() для состояния фюзеляжа перед началом испытаний. Искомая вероятность P(), приблизительно равная 0,5, достаточно велика, чтобы принять гипотезу о совпадении распределения количества трещин по фюзеляжу вертолета Ми-26Т RA-06010 на момент наработки 1113 часов и распределения количества трещин по всему парку в интервале наработки 0–1200 часов. В процессе проведения испытаний фюзеляж вертолета периодически исследовался на предмет выявления новых трещин. Согласно принятым для испытаний методикам пересчета циклов нагружения, наработка, при которой проводились исследования, составила 2233, 2748, 3356 и 3793 часов (с учетом 1113 часов в эксплуатации). Дальнейшие исследования образца на стенде исключим, так как к настоящему моменту не имеется исследованных фюзеляжей с наработкой свыше 4200 часов в эксплуатации. Поскольку на стенде дефектировалась концевая часть ЦЧФ, хвостовая и килевая балки, из теоретических распределений отбросим часть фюзеляжа от шп. № 1 до шп. № 36. Будем последовательно сравнивать распределения трещин на вертолете Ми-26Т RA-06010 при указаных наработках с теоретическими распределениями для соответствующих наработок всего парка, используя критерий Колмогорова.
Соответствующие величины D, , n и P() приведены в таблице 3.8.
Таким образом, вероятность P() в процессе испытаний снижается от 0,5 после реальной эксплуатации до величин, при которых гипотезу о совпадении распределения трещин на образце и распределения по парку следует отвергнуть, как заведомо неправдоподобную. Следовательно, если считать критерием эквивалентности нагрузок на стенде эксплуатационным нагрузкам, совпадение соответствующих распределений количества трещин в стрингерах концевой части фюзеляжа и хвостовой и килевой балок, то можно сделать вывод о несоответствии эксплуатационных нагрузок и нагрузок на стенде. Следует также отметить, что вероятность P() постоянно снижается в процессе работы стенда, т. е. статистическое и теоретическое распределения F (x) и F(x) все больше «расходятся» с увеличением наработки. Иными словами, трещины на образце возникают не в тех зонах и не при тех наработках по сравнению с эксплуатацией.
Стендовые испытания элементов «обшивка - стрингер»
И в эксплуатации и на испытанных образцах наблюдается чередование зон, свидетельствующих о различном механизме разрушения стрингеров – внутризеренном и межзеренном. Внешним проявлением таких смен механизма является чередование зон излома различной шероховатости. Как показал анализ изломов стрингеров, разрушившихся в эксплуатации, только указанное чередование является общим признаком всех изломов. Таким образом, чередование механизма разрушения на образцах свидетельствует об эквивалентности воспроизводимых нагрузок на стенде эксплуатационным нагрузкам, поскольку демонстрирует адекватную реакцию материала на нагружение (рис. 4.20).
Чередование зон различной шероховатости а) образец № 8, б) образец № 7, в), г) стрингеры, разрушившиеся в эксплуатации Светлые зоны (с меньшей шероховатостью) соответствуют внутризеренному разрушению, темные – межзеренному. Ослабление границ волокон материала или высокая интенсивность напряжений способствует ускоренному росту масштабам расслоения можно косвенно судить о состоянии границ и напряжениях. В процессе исследования образцов установлена обратная зависимость долговечности и длительности роста трещины от степени расслоения материала стрингера – чем более выраженное расслоение, тем меньшей долговечностью обладает образец. На рис. 4.19в) приведен излом образца № 6 с наименьшей долговечностью. Ярко выраженное расслоение материала наблюдается практически по всей ширине свободной полки. Напротив, в образце № 8 (рис. 4.20а) с наибольшей долговечностью расслоение материала наблюдается только ближе к переходу от свободной полки на прилегающую.
Участок излома стрингера с чередованием зон преимущественно межзеренного (1) и внутризеренного (2) роста трещины. Стрелкой указано направление роста трещины. Детальный анализ рельефа излома в зонах расслоения материала показал, что расслоение опережало его разрушение на данном этапе ускоренного роста трещины. Это выражается в том, что внутризеренное вязкое разрушение стрингера происходило от расслоений поперек толщины полки. На это указывает волнистый рельеф излома, отражающий направление роста трещины от одного из расслоений. Подтверждением роли расслоения материала на развитие трещины является форма ее фронта – трещина распространяется как бы независимо с обеих сторон от расслоения. Поэтому выпуклость фронта по направлению развития трещины оказывается неоднородной и искажается на границе растрескивания. Такие искривления формы фронта трещин наблюдаются и в эксплуатации. На рис. 4.22 приведены рельеф излома в зоне ускоренного роста трещины а), раздвоение фронта трещины на испытательном образце б) и на стрингере, разрушенном в эксплуатации в).
Развитие трещины в зоне расслоения материала. а) фрагмент развития трещины поперек толщины полки стрингера (стрелка – направление распространения трещины, б) изменение формы фронта трещины на образце , в) в эксплуатации.
Описанное поведение материала указывает на то, что зона расслоения существовала до того, как трещина пришла к этой зоне. Исследование зоны зарождения трещины показало, что оно произошло в результате образования в пределах зоны сварки в срединной части множества глубоких пор, представляющих собой дефект сварки (рис. 4.24). Поры явились концентратором напряжения, от которого произошло зарождение трещины и в стрингере, и в обшивке. Поры в районе сварной точки при различном увеличении Разрушение обшивки принципиально отличается от разрушения стрингера. Обшивка разрушалась внутризеренно, с формированием отчетливых усталостных бороздок. При этом стрингер разрушался по указанному выше механизму чередования зон. Общий вид излома образца и вид излома обшивки приведен на рис. 4.25.
Сопоставление результатов статистической обработки распределения количества трещин, натурных и стендовых испытаний
В Главах 3 и 4 были представлены результаты статистической обработки распределения количества трещин стрингеров по фюзеляжу, а также натурных и стендовых испытаний, которые позволяют перейти к моделированию роста трещины в стрингере.
Рассчитаем предельную длину трещины lпред в стрингере (неравнополочном, с шириной свободной полки 20 мм, прилегающей полки 15 мм и толщинами соответственно 1,8 мм и 1,5 мм). Напомним, что под lпред понимается такая длина трещины, при которой конструкция способна выдерживать максимальную эксплуатационную нагрузку, которая составляет в свою очередь 0,67 от разрушающей. Для стрингера указанного профиля lпред составляет около 23 мм. Заметим, что согласно рис. 3.17 трещины длиной более 23 мм составляют менее 2% от всех обнаруживаемых. Также из рис. 3.17 следует, что критическая длина трещины составляет 27 мм, что согласуется с результатами стендовых испытаний образцов «обшивка-стрингер», представленных на рис. 4.18 (стрингеры разрушались по достижении трещиной длины 25 – 30 мм). Из результатов, представленных на рис. 4.5, следует, что период роста трещин по свободной полке стрингера в эксплуатации является стабильным. Это соответствует периодам стабильного роста трещин при стендовых испытаниях – от момента сдвига трещин от надреза до длины 10-12 мм. Более раннее ускорение роста трещин при стендовых испытаниях, по сравнению с эксплуатационными, обусловлено отсутствием перераспределения прилагаемой нагрузки. В дальнейшем будем использовать только те участки полученных кривых роста трещин на стенде, которые соответствуют периодам стабильного роста.
