Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор нормативных документов, научно-технических достижений, исследований и методических рекомендаций, касающихся проблемы коррозионного поражения элементов конструкции планера ВС 19
1.1 Основные положения системы поддержания летной годности ВС... 19
1.1.1 Авиационные происшествия по причине коррозионных поражений конструкции планера ВС 19
1.1.2 Требования ШСАО к системе поддержания летной годности ВС..
1.2 Основные принципы обеспечения безопасности конструкции планера по условиям усталостной прочности при коррозионном поражении 26
1.3 Обзор работ и мероприятий по оценке коррозионного состояния ВС 32
1.4 Обзор методов и результатов исследований по определению прочностных характеристик элементов конструкции планера ВС с коррозионными повреждениями 38
1.5 Классификация процессов коррозии и обзор коррозионных поражений элементов конструкции ВС 1.5.1 Классификация процессов коррозии 44
1.5.2 Признаки наличия коррозии на конструкционных материалах 49
1.5.3 Условия возникновения и развития коррозии на элементах конструкции ВС 50
1.6 Основные направления исследований в задачах обеспечения, поддержания и оценки летной годности конструкции планера ВС по условиям безопасности от коррозии 52
Выводы по главе 1 57
2 Анализ коррозионных повреждений конструкции планера ВС в целях обеспечения её безопасной эксплуатации по условиям прочности 58
2.1 Вводные замечания 58
2.2 Систематизация и анализ сведений о коррозионных повреждениях транспортных самолетов 2.2.1 Систематизация и анализ сведений о коррозионных повреждениях планера самолетов типа Ту-154 62
2.2.2 Систематизация и анализ сведений о коррозионных повреждениях планера самолетов Ил-86 70
2.2.3 Систематизация и анализ сведений о коррозионных повреждениях планера самолетов Ан-2.3 Статистический анализ коррозионных повреждений планера самолетов типа ТУ-154 75
2.4 Статистический анализ глубины межкристаллитной коррозии по результатам металлографических исследований
2.5 Прогнозирование критических по условию коррозионного поражения зон конструкции планера самолета SSJ-100 90
Выводы по главе 2 94
3 Разработка математической расчетной модели для оценки напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов конструкции планера ВС в зависимости от геометрии коррозионного повреждения 96
3.1 Вводные замечания 96
3.2 Оценка концентрации напряжений для геометрических моделей коррозионного поражения 1 3.2.1 Оценка сходимости расчета методом конечных элементов для выбора оптимального числа конечных элементов 103
3.2.2 Сравнение поля концентрации напряжений для моделей коррозионного поражения 104
3.3 Уточнение напряженного состояния в зоне геометрической модели коррозионного дефекта 107
3.3.1 Уточнение напряженного состояния в зоне геометрической модели коррозионного дефекта, образованной поверхностью эллипсоида вращения 108
3.3.2 Уточнение напряженного состояния в зоне геометрической модели коррозионного дефекта, образованной поверхностью трехосного эллипсоида 113
Выводы по главе 3 115
4 Экспериментальная оценка характеристик статической прочности, усталостной долговечности и трещиностойкости авиационных алюминиевых сплавов серии Діб и 1163 при коррозионном поражении 116
4.1 Вводные замечания 116
4.2 Общие положения, изготовление и подготовка образцов для проведения испытаний по определению механических характеристик, усталостной долговечности и трещиностойкости конструкционных алюминиевых сплавов серии Діб и 1163 при коррозионном поражении 118
4.2.1 Образцы для испытаний на определение характеристик статической прочности материала 118
4.2.2 Образцы для испытаний на определение характеристик сопротивления усталости 120
4.2.3 Образцы для испытаний на определение характеристик трещиностойкости 122
4.2.4 Разработка методики нанесения искусственных коррозионных дефектов 123
4.2.5 Металлографические исследования шлифов 127
4.2.6 Оборудование для механических испытаний образцов 128
4.3 Экспериментальная оценка влияния коррозионных поражений на характеристики статической прочности алюминиевых сплавов серии Діб и 1163, применяемых в конструкции ВС 129
4.3.1 Методика обработки результатов испытаний на определение характеристик статической прочности 129
4.3.2 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки Д16АТВ 130
4.3.3 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из конструкционных алюминиевых сплавов серии 1163
4.3.3.1 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки 1163АТВ 131
4.3.3.2 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки 1163АТ 133
4.3.3.3 Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки 1163РДТВ 133
4.4 Экспериментальная оценка влияния коррозионных поражений на усталостную долговечность алюминиевых сплавов серии Діб и 1163, применяемых в конструкции ВС 134
4.4.1 Методика обработки результатов испытаний на усталость 134
4.4.2 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из конструкционных алюминиевых сплавов серии 1163
4.4.2.1 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из сплава марки 1163АТ 137
4.4.2.2 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из сплава марки 1163АТВ 139
4.4.2.3 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из сплава марки 1163Т
4.4.3 Анализ результатов испытаний образцов на усталость, изготовленных из конструкционного алюминиевого сплава Д16АТВ... 143
4.4.4 Экспериментальная оценка влияния коррозионных поражений на усталостную долговечность продольного заклепочного стыка фюзеляжной панели планера самолета типа Ту-154 154
4.4.5 Экспериментальная оценка усталостной долговечности обшивки фюзеляжа самолета Ил-86, поврежденной межкристаллитной коррозией 161
4.5 Экспериментальная оценка влияния коррозионных поражений на характеристики трещиностойкости алюминиевых сплавов серии Діб и 1163, применяемых в конструкции ВС 166
4.5.1 Методика обработки результатов испытаний на трещиностойкость 166
4.5.2 Анализ результатов испытаний образцов на трещиностойкость, изготовленных из сплава марки 1163 AT и расчетно-экспериментальная оценка характеристик трещиностойкости при коррозионном поражении 170
4.5.3 Анализ результатов испытаний образцов на трещиностойкость, изготовленных из сплава марки Д16АТВ и расчетно-экспериментальная оценка характеристик трещиностойкости трещиностойкости при коррозионном поражении 175
Выводы по главе 4 181
5 Расчетно-экспериментальные методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучестьконструкции планера ВС ГА 184
5.1 Метод оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и расчета допустимых размеров коррозионного поражения для типовых зон конструкции планера 186
5.2 Методика ранжирования уровня коррозии по условию усталостной прочности 193
5.3 Метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины для типовых зон конструкции планера 196
Выводы по главе 5 203
6 Оценка влияния коррозионного поражения на усталостную прочность типовой зоны конструкции планера ВС 205
6.1 Расчетно-экспериментальная оценка характеристик трещиностойкости при коррозионном поражении разработанным методом 205
6.2 Сравнение расчетной и экспериментальной оценок усталостной долговечности продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 с коррозионным повреждением 209
6.3 Расчет долговечности зоны конструкции фюзеляжа с эксплуатационным коррозионным поражением на примере самолета типа Ту-154 220
6.4 Формирование информационно-справочной системы для решения задач поддержания и оценки летной годности ВС по условиям усталостной прочности 226
Выводы по главе 6 230
Заключение 231
Список литературы
- Основные принципы обеспечения безопасности конструкции планера по условиям усталостной прочности при коррозионном поражении
- Оценка концентрации напряжений для геометрических моделей коррозионного поражения
- Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки Д16АТВ
- Метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины для типовых зон конструкции планера
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из важных факторов, оказывающих влияние на прочность и долговечность технических конструкций в эксплуатации, является коррозия металлов и их сплавов. Коррозия является причиной отказов, поломок и разрушений технических конструкций, в результате чего экономические и технические потери достигают значительных объемов. В связи с этим большие материальные средства расходуются на осуществление комплекса мероприятий по борьбе с коррозией, профилактическое обслуживание, ремонт и замену отдельных деталей. Прогнозирование и уточнение прочностных характеристик конструкций при коррозионном поражении на основе расчетно-экспериментальных методов, формирование справочных данных о влиянии коррозии на физико-механические характеристики конструкционных материалов являются необходимыми задачами в решении данной проблемы.
Диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической задачи оценки летной годности планера воздушных судов (ВС) при коррозионном поражении. Обязательным условием обеспечения летной годности ВС является выполнение требований норм летной годности по условиям статической и усталостной прочности конструкции планера ВС при случайных повреждениях, усталостных повреждениях и повреждениях вследствие коррозии. В настоящее время для оценки влияния случайных и усталостных повреждений на прочность конструкции разработаны приемлемые методы, основанные на результатах фундаментальных исследований в области сопротивления материалов, механики разрушения и теории упругости твердого тела. Для случаев коррозионного поражения также необходимы расчетные методы, позволяющие обосновать предельно допустимые размеры коррозии элементов конструкции планера, учесть влияние коррозионных поражений на усталость и живучесть конструкции.
Наиболее остро проблема коррозии планера возникает для ВС, эксплуатируемых длительное время. Эти ВС по общепринятой международной классификации относятся к “стареющим” ВС. В настоящее время к самолетам, которые превысили свои проектные ресурсы и сроки службы, относятся Ан-12, Ан-26, Ан-24, Ан-124, Ан-30, Ту-154М, Ту-134А, Ил-76, Ил-18, Як-40 и зарубежные - Боинг 707, Боинг 737-200, Боинг 747-200, DC-9, DC-8. Высокая стоимость новых ВС определяет экономическую целесообразность эксплуатации самолетов старых модификаций, таким образом, проблема оценки влияния коррозионных повреждений на прочностные характеристики планера ВС является весьма актуальной. Важность рассматриваемой проблемы отражена в документах Международной Организации Гражданской Авиации (ИКАО), Федеральных авиационных правилах (ФАП), нормах летной годности. В условиях постоянного повышения конкуренции в области самолетостроения с учетом требований к увеличению показателей эффективности эксплуатации ВС, результаты диссертационной работы имеют большое хозяйственное значение.
Проблема оценки влияния коррозионных поражений планера ВС на летную годность относится к достаточно сложной научно-технической задаче, для решения которой необходим системный подход. На этапе проектирования ВС проводится анализ конструкции планера по условиям коррозии, прогноз размеров и видов возможных коррозионных повреждений, оценка допустимых размеров по условиям прочности, формирование программы контроля и предупреждения коррозии. В процессе эксплуатации ВС способы борьбы с коррозией планера основываются на анализе параметров эксплуатационных коррозионных поражений, уточнении их влияния на прочностные характеристики конструкции планера, корректировки начала и периодичности осмотров.
В мировой практике ведущие авиационные фирмы при формировании стратегии технического обслуживания (ТО) ВС разрабатывают мероприятия по борьбе с коррозионными поражениями, которые отражаются в программе контроля и предупреждения коррозии, программе зонных осмотров, программе для стареющих самолетов. Программа контроля и предупреждения коррозии (Corrosion prevention and control program) разрабатывается уже на ранней стадии эксплуатации ВС в целях обеспечения летной годности ВС по условиям коррозии в результате ухудшения технического состояния из-за химических взаимодействий или воздействия внешней среды. Для длительно эксплуатируемых ВС при достижении определенного срока службы вступает в силу программа для стареющих самолетов (Aging Aircraft Program), в рамках которой предусмотрены дополнительные процедуры, обеспечивающие безопасность эксплуатации ВС.
При выполнении диссертационной работы был изучен и использован отечественный и зарубежный опыт контроля и предупреждения коррозионных поражений элементов конструкции планера ВС, изучены методы оценки их влияния на прочностные характеристики. Большой вклад в анализ усталостной прочности и живучести, в изучение коррозионных поражений и их влияния на прочностные характеристики конструкции планера ВС внесли специалисты конструкторских бюро (КБ), научно-исследовательских институтов (НИИ), предприятий ГА: Бутушин С.В., Байков С.М., Белов В.К., Воронкин Н.Ф., Васильев В.Ю., Громов М.С., Городецкий В.Н., Гришин А.Н., Дементьев А.Д., Дубинин В.В., Каширин В.В., Котелевец Н.А., Карлашов А.В., Кореневский А.Г., Калюта А.А., Либман В.М., Лоим В.Б., Митрофанов О.В., Нестеренко Г.И., Нестеренко Б.Г., Панасюк В.В., Райхер В.Л., Рудзей Г.Ф., Семин А.В., Стрижиус В.Е., Сахин В.Х., Тимофеев А.Н., Фейгенбаум Ю.М., Шапкин В.С., Шунаев В.П., Яблонский И.С. и др. К настоящему времени отечественными специалистами проведен большой объем работ по исследованию различных аспектов влияния коррозионных поражений конструкции планера ВС на безопасность их эксплуатации. В большинстве случаев, авторы решали частные задачи в отношении коррозии элементов конструкции планера ВС. Однако, до настоящего времени на основе этих исследований не были сформулированы методы расчетно-экспериментальной оценки влияния коррозии на усталостную прочность и живучесть конструкции ВС. Необходимость разработки таких методов и определило направление исследований, выполненных в настоящей диссертационной работе.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка и развитие расчетно-экспериментальных методов оценки влияния коррозионных поражений планера на летную годность ВС по условиям усталостной прочности и живучести.
В процессе достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Проведен обзор и анализ существующих проблем в отечественной системе поддержания и оценки летной годности ВС при коррозионных поражениях конструкции планера. Сформулирована цель и основные направления исследований автора.
-
Проведена систематизация и статистический анализ данных о коррозионных поражениях конструкции планера ВС. В результате исследований установлен статистически обоснованный закон распределения размеров коррозионных поражений на элементах конструкции планера в процессе эксплуатации ВС и уточнены критические по условию коррозии зоны.
-
Разработана расчетная модель для оценки напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов конструкции планера ВС, в зависимости от геометрии коррозионного повреждения.
-
Проведены обширные экспериментальные исследования по изучению влияния коррозии и длительной эксплуатации на статическую прочность, усталостную долговечность и трещиностойкость элементов конструкции планера ВС. На основе полученных результатов испытаний разработаны подходы и алгоритмы, позволяющие обоснованно определять величины допустимых коррозионных поражений и оценивать влияние коррозии на ресурсные характеристики планера.
-
Разработаны инженерные расчетно-экспериментальные методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть типовых зон конструкции планера ВС.
-
Показана точность и достоверность разработанных методов и приведены результаты оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть на примере типовой зоны конструкции планера ВС с эксплуатационным коррозионным повреждением.
Методы исследования. Методы исследования включают в себя метод системного анализа, методы испытаний по определению механических характеристик металлов, методы металлографического анализа, статистические методы обработки расчетных данных и результатов испытаний, метод конечных элементов, методы механики разрушения и теории упругости.
Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в разработанных автором расчетно-экспериментальных методах оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть конструкции планера ВС ГА, совокупность которых имеет существенное значение для обеспечения и поддержания летной годности планера ВС по условиям прочности, эффективности и безопасности эксплуатации ВС и развития авиационной отрасли России в целом. При выполнении работы автором получены следующие новые результаты:
уточнены критические по условию коррозии зоны конструкции планера ВС. В результате статистического анализа размеров коррозионных поражений конструкции планера, впервые установлен статистический закон распределения геометрических параметров коррозии;
на основе выполненных автором экспериментальных и расчетных исследований разработаны методы оценки влияния коррозионных поражений на характеристики усталостной прочности и живучести конструкции планера ВС ГА;
впервые предложено оценивать напряженно-деформированное состояние в зоне коррозионного поражения на основе математической модели коррозионного дефекта. В результате исследований получены основные закономерности напряженно-деформированного состояния в области коррозионного поражения;
на основе разработанной методики моделирования искусственных коррозионных дефектов установлена зависимость, которая позволяет эффективно моделировать коррозию;
получены новые экспериментальные данные, на основе которых установлены важные в исследованиях усталости металлов зависимости между параметром коррозионного поражения, усталостной долговечностью и эффективным коэффициентом концентрации напряжений.
Практическая значимость. Методы и конкретные результаты, представленные в диссертации, нашли применение в практике работ по поддержанию летной годности ВС в ОКБ, НИИ, предприятиях ГА. Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные автором расчетно-экспериментальные методы в совокупности позволяют повысить безопасность и эффективность эксплуатации ВС за счет:
- уточнения критических по условию коррозии зон конструкции планера ВС, выполненного в результате систематизации данных о коррозионных повреждениях в эксплуатации;
- определения характерных размеров коррозии в результате установленного статистического закона распределения параметров коррозионного повреждения на элементах конструкции планера ВС в эксплуатации;
- результатов экспериментальных исследований деградации механических характеристик, усталостной долговечности и трещиностойкости конструкционных алюминиевых сплавов, изменения прочностных свойств конструктивных соединений при коррозионных поражениях и длительной эксплуатации планера ВС;
- оценки влияния коррозионных повреждений на усталостную прочность и живучесть типовых зон конструкции планера ВС, на основе разработанных расчетно-экспериментальных методов.
Практическая значимость диссертационной работы подтверждена внедрением результатов исследования:
при продлении ресурсов и сроков службы самолетов типа Ту-154, Ан-12;
при внедрении безремонтной технологии эксплуатации самолетов Ту-154М;
при установлении допустимых размеров коррозионных поражений и оценки усталостной долговечности планера при проектировании и разработке эксплуатационной документации самолетов SSJ-100.
Достоверность результатов. Достоверность результатов обусловлена научно обоснованным выбором методов и методик исследований, подтверждается корректным применением методов системного анализа, математического моделирования, математической статистики и теории вероятностей, значительным объемом расчетных и экспериментальных исследований, проверкой этих данных статистическими методами, методами теории упругости и механики разрушения, применением алгоритмов метода конечных элементов.
На защиту выносятся.
Разработанные расчетно-экспериментальные методы, позволяющие учитывать влияние коррозионных поражений при оценке усталостной прочности и живучести типовых зон конструкции планера ВС:
- метод оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность;
метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины;
Результаты статистических исследований коррозионных повреждений планера отечественных ВС;
Разработанная автором расчетная модель для оценки напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов конструкции планера ВС в зависимости от геометрии коррозионного повреждения;
Результаты экспериментальных исследований деградации механических характеристик конструкционных алюминиевых сплавов и изменения прочностных свойств конструктивных соединений при коррозионных поражениях и длительной эксплуатации планера ВС;
Методика моделирования искусственных коррозионных дефектов и подготовки образцов для проведения испытаний по определению характеристик статической прочности, усталостной долговечности и трещиностойкости конструкционных алюминиевых сплавов при коррозионных поражениях;
Полученные автором результаты металлографических исследований и усталостных испытаний образцов с межкристаллитной коррозией, обнаруженной на обшивке фюзеляжа самолета.
Личный вклад автора. Научные и практические интересы автора находятся в области оценки прочности и живучести конструкций при эксплуатации воздушного транспорта. Исследования касались достаточно широкого круга вопросов, однако, в первую очередь, они концентрировались на разработке инженерных методов оценки летной годности ВС при коррозионных поражениях конструкции планера, направленных на обеспечение безопасности эксплуатации ВС по условиям усталостной прочности и живучести. В рамках этих исследований особое внимание уделялось разработке методов при решении таких задач, как оценка допустимых размеров коррозионного повреждения конструкции планера ВС по условию усталостной прочности, и оценка влияния коррозии на усталостную долговечность и живучесть. Настоящая диссертация является обобщением исследований автора в этих направлениях.
Автором разработаны новые методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть конструкции планера ВС ГА, позволяющие уточнять предельно допустимые размеры коррозионных поражений. В основе методов лежат результаты механических испытаний образцов с коррозией и расчет напряженного состояния в области коррозионного поражения по предложенным геометрическим моделям.
Автором проведены все представленные в диссертации статистические исследования коррозионных поражений отечественных транспортных самолетов и результатов механических испытаний, металлографические исследования коррозионных поражений, расчеты напряженно-деформированного состояния в зоне математической модели коррозионного дефекта. Автором проведен ряд испытаний на определение усталостной долговечности и трещиностойкости образцов с коррозионным поражением.
Автором впервые определена связь между теоретическим коэффициентом концентрации напряжений, полученного для смоделированного случая коррозии, и эффективным коэффициентом концентрации напряжений, полученного при испытании образцов с коррозионным поражением.
Автором разработаны электронный паспорт эксплуатационных повреждений конструкции планера ВС, модуль для анализа эксплуатационных повреждений планера, модуль хранения и анализа информации по результатам сертификации экземпляра ВС, база данных результатов проведенных механических испытаний, объединенных в информационно-справочную систему, ориентированную на решение вопросов поддержания летной годности ВС ГА.
Реализация работы. Результаты работы использованы в ФГУП ГосНИИ ГА при проведении работ по оценке технического состояния и продлении ресурсов и сроков службы самолетов Ту-154Б, Ту-154М, Ан-12, Ил-86; при внедрении безремонтной технологии эксплуатации самолетов Ту-154М; в ЗС МТУ ВТ ФАВТ в процессе мониторинга летной годности ВС ГА; в ОАО "Туполев", ЗАО "Гражданские самолеты Сухого", СибНИА им. С.А. Чаплыгина, МГТУ ГА при оценке усталостной прочности и живучести элементов конструкции планера при коррозионных поражениях; на предприятиях ГА в процессе оценки технического состояния планера ВС, при внедрении безремонтной технологии эксплуатации самолетов Ту-154М; в НГТУ на факультете летательных аппаратов в учебном процессе.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа выполнена в соответствии паспорту по специальности 05.22.14 «Эксплуатация воздушного транспорта», п.11 «Разработка научных основ и методов обеспечения и сохранения летной годности воздушных судов в процессе эксплуатации».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались лично автором и обсуждались на Международной научно-техническая конференции "Гражданская авиация на рубеже веков" г. Москва 30-31 мая 2001г.; на региональной научно-практической конференции "Железнодорожный транспорт. Итоги и перспективы развития" г. Новосибирск 27-29 ноября 2002г.; на Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" г. Москва 17-18 апреля 2003г.; на Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" г. Москва, 18-19 мая 2006г.; на Всероссийской научно-технической конференции по аэродинамике летательных аппаратов и прочности авиационных конструкций г. Новосибирск, СибНИА 17-19 июня 2008г.; на Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" г. Москва 26 мая 2011г.; на конференции, посвященной 70-летию ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина" г. Новосибирск, 22 сентября 2011г.; на IV Международной молодежной научной конференции "Гражданская авиация: XXI век" г. Ульяновск, 12-13 апреля 2012г.; на Международной конференции "Живучесть и конструкционное материаловедение" г. Москва, ИМАШ РАН, 22-24 октября 2012г.; на Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" г. Москва 24 апреля 2013г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 печатные работы, в том числе 1 монография. Из них 22 печатные статьи опубликованы в научных изданиях, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ для публикации материалов диссертаций. За последние три года опубликовано 9 печатных работ. Результаты исследований отражены в 26 научно-технических отчетах, в которых автор является ответственным исполнителем или руководителем.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и 4 приложений. Работа изложена на 305 страницах. Список литературы содержит 222 наименования.
Основные принципы обеспечения безопасности конструкции планера по условиям усталостной прочности при коррозионном поражении
Авиационные происшествия, связанные с коррозией, случались на протяжении всей истории авиации. По данным публикаций [14, 15, 43, 44, 4, 73] с 1927 года по всему миру произошло свыше 760 происшествий и катастроф воздушных судов в той или иной мере обусловленных коррозионными повреждениями планера.
Для каждого экземпляра ВС, имеющего срок службы и наработку свыше проектных значений и находящегося в эксплуатации, приоритетным направлением поддержания его летной годности является обеспечение целостности конструкции планера.
Усталостные повреждения и коррозионные повреждения, объединяющиеся синергетическим1 путем, являются основными факторами, нарушающими целостность конструкции ВС. Конструкция экземпляра воздушного судна должна иметь защиту от коррозии, выполненную в соответствии с требованиями действующей эксплуатационной документации по типу и экземпляру ВС. Значимость этих технических требований иллюстрирует ряд событий, которые произошли при эксплуатации ВС.
В апреле 1988 года самолет Боинг-737-200 авиакомпании «АЛОХА Эйрлайнс» выполнял рейс с острова Хило в Гонолулу [14]. В горизонтальном полете на высоте 7000 м была вырвана верхняя половина передней секции фюзеляжа длинной около 4,6 м. Разрушение началось от продольного стыка внахлест обшивки боковой и верхней секций фюзеляжа. Соединение обшивок обеспечивалось клеем и заклепками, а также специальными приклеенными лентами-стопперами. Три фактора - разрушение клеевого соединения, коррозия и многоочаговые трещины привели к катастрофе самолета. Клеевое соединение оказалось неустойчивым к воздействию окружающей среды и потеряло прочность. Опасность клеевого соединения заключалась не только в деградации свойства клея, но и в возникновении в клеевой пленке микротрещин, в которые попадала влага, вызывающая коррозию металла, что вызвало уменьшение площади контакта деталей. Таким образом, коррозия стала одной из причин, приведшей к катастрофе.
В марте 1997 года при выполнении полета по маршруту Ставрополь-Трабзон на самолете Ан-24РВ RA 46516, принадлежащем Ставропольской акционерной авиакомпании, на эшелоне 6000 м разрушилась конструкция хвостовой части фюзеляжа с последующим ее отделением вместе с хвостовым оперением в районе шпангоута № 40. Согласно акту об авиационном происшествии [7, 167] разрушение самолета началось в воздухе. Очаговая зона разрушения конструкции располагалась по правому борту фюзеляжа под туалетом и буфетом в районе шпангоутов № 31-34 между стрингерами № 6-8, окаймляя снизу сливную панель санузла. Верхние пояса шпангоутов №№ 32 и 35 по месту разрушения к моменту авиационного происшествия сохранили только вертикальную стенку профиля, шпангоуты №№ 31 и 33 - соответственно 30% и 85% полки профиля при полном сохранении вертикальной стенки профиля, а шпангоут № 34 - 50% вертикальной стенки и 100% полки. При этом у шпангоутов №№ 32 и 33 практически полностью были разрушены коррозией стенки и нижние пояса. Указанное коррозионное состояние явилось следствием некачественного выполнения работ по противокоррозионной защите и ремонту поврежденных коррозией участков. Факторы, способствующие интенсивному коррозионному поражению, явились: - не герметичность бака унитаза из-за сквозных трещин и коррозионных язв в местах подварки корпуса, выполненной с нарушением технологии сварки; -эксплуатация самолета в течение 16 месяцев в условиях тропического климата (Африка). Ограничиваясь представленными катастрофическими событиями, следует отметить, что наличие коррозии неизбежно, как и наличие усталости в силу своей естественной природы. При различных подходах к проектированию, современные самолеты имеют те же типы коррозионных дефектов, что и ВС, разработанные десятки лет назад. Наиболее эффективным способом борьбы с коррозией на элементах конструкций ВС видится повышение уровня технологий изготовления материалов, разработки новых коррозионностойкйх материалов и средств антикоррозионной защиты.
В обеспечении безопасности полетов ВС важная роль принадлежит информационному пространству о состоянии ВС. На международной основе создается банк данных о коррозионном состоянии самолетов различных разработчиков [169]. В России также уделяется большое внимание сбору информации о коррозионных повреждениях ВС и ее анализу.
Оценка концентрации напряжений для геометрических моделей коррозионного поражения
Обзор проблемы коррозионных поражений конструкции планера ВС показывает, что коррозия влияет на его техническое состояние, которое неразрывно связано с летной годностью ВС и является одной из причин, влияющих на безопасность эксплуатации ВС. Снижение прочности элементов конструкции планера ВС происходит в результате изменения в области коррозионного поражения механических характеристик материала, характеристик трещиностойкости и усталости, нарушении геометрии поверхности элемента, например уменьшение поперечного сечения элементов конструкции, образование концентрации напряжений, что способствует образованию усталостных трещин.
Задача по обеспечению необходимых ресурсных характеристик при воздействии коррозии на элементы конструкции самолета решается поэтапно. На этапе проектирования задача заключается в выборе материала на основе сведений по коррозионной стойкости сплавов с учетом предполагаемых условий эксплуатации ВС и агрессивности среды. В качестве среды рассматриваются различные её виды: фюзеляжный конденсат от атмосферных воздействий, случайное воздействие агрессивной среды от перевозки жидких грузов, результат воздействия аккумуляторных батарей (технические отсеки), бытовые источники загрязнения, такие как моющие жидкости, результаты жизнедеятельности человека. Учитывается и возможность образования контактной коррозии, которая протекает при неправильном выборе материалов с большой разностью электрохимических потенциалов. На этапе испытаний задача заключается в оценке статической прочности, усталостной долговечности и трещиностойкости материалов и конструктивных элементов с моделированием условий воздействия коррозионных сред. На этапе эксплуатации по всем самолетам парка осуществляется сбор и анализ информации по выявленным эксплуатационным повреждениям элементов конструкции, обусловленных усталостью, коррозией и случайными повреждениями. Проводится уточнение прочностных характеристик конструкции.
На всех этапах решение проблемы по оценке влияния коррозионных поражений на прочность конструкции планера ВС является одной из актуальных задач. Принцип эксплуатационной живучести, принятый в качестве основного принципа проектирования конструкции планера обеспечивает повышение надежности летательных аппаратов за счет осмотров конструкции, которые допускают образование повреждений. Оценка характеристик допустимости повреждения должна быть основана на тщательно отобранной информации, включая результаты теоретического анализа, механических испытаний, опыта эксплуатации, результатов специальных проверок и осмотров, которые могут быть предусмотрены для конкретной типовой конструкции. Необходимо определить характеристики скорости развития повреждений, а также их влияние на прилегающие составные части в плане взаимодействия, ведущего к более быстрому или более обширному повреждению. Этот анализ должен включать места возможного образования трещин, вызываемых усталостью, коррозией, коррозией под напряжением, износом, деградацией клеевого соединения, случайным повреждением, производственными дефектами или другими недостатками в тех зонах, которые по результатам опыта эксплуатации или оценки конструкции считаются наиболее уязвимыми. В случае усталостных трещин от коррозии для обеспечения безопасной эксплуатации ВС, должны быть установлены закономерности изменения скорости их развития в условиях коррозионного поражения.
В процессе обзора научной литературы выявлено, что в настоящее время накоплен значительный объем экспериментальных данных по различным аспектам проблемы коррозии конструкционных материалов и изделий авиационной техники. Однако анализ результатов исследований о влиянии коррозионных повреждений на прочностные характеристики элементов конструкции планера ВС выявил что: - отсутствуют расчетные методы оценки влияния коррозионных поражений на усталостную прочность и живучесть конструкции планера ВС; - отсутствуют расчетные методы оценки допускаемых размеров коррозионного поражения по условию усталостной прочности; - недостаточно данных о влиянии наиболее опасных видов коррозионного разрушения материала (таких, как: межкристаллитная коррозия, щелевая коррозия, расслаивающая коррозия) на прочностные характеристики элементов конструкции планера. Для совершенствования методов оценки летной годности конструкции планера ВС при коррозионных поражениях также необходимо: - развитие нормативно-технической базы; - развитие методов контроля и предупреждения коррозии, направленных на совершенствование системы поддержания и оценки летной годности ВС; - развитие экспериментальных методов исследования коррозионной стойкости материалов; - развитие расчетно-экспериментальных методов оценки влияния коррозионных повреждений на усталостную прочность и живучесть зон конструкции планера ВС; - развитие информационных технологий мониторинга технического состояния; - гармонизация отечественных и зарубежных методов поддержания летной годности ВС при коррозионном повреждении; - разработка инженерных методов оценки допустимых размеров коррозионного поражения элементов конструкции планера по условию усталостной прочности;
Анализ результатов испытаний образцов на растяжение, изготовленных из сплава марки Д16АТВ
При комбинированном случае коррозионного поражения с присутствием МКК значительное снижение долговечности происходить за счет влияния именно межкристаллитного характера разрушения металла от коррозии. Для оценки такого коррозионного поражения необходимо знать закон распределения возможных значений глубины МКК на локальном участке поверхности, пораженной коррозией.
Глубина проникновения МКК является случайной функцией, как параметра материала, так и параметров агрессивной среды. Все эти параметры действуют независимо друг от друга и, суммируясь, формируют закон распределения глубины МКК. Каждая из случайных величин в общей сумме играет «примерно» одинаковую роль. Поскольку при контроле МКК определяют глубину поражения в определенный момент, то время следует рассматривать как фиксированный аргумент. При фиксированных аргументах, в том числе, фиксированном времени, глубину МКК можно считать не случайной функцией, а случайной величиной.
. Значения распределения глубины МКК определялись на основе измерений, выполненных на металлографических шлифах. Шлифы изготавливались из обшивки фюзеляжа самолетов ИЛ-86 (рис. 2.4.1) снятой в процессе ремонтных работ, по причине коррозионного повреждения со сроком службы более 15 лет: - самолет Ил-86 (1987 год выпуска, с наработкой с начала эксплуатации 16100 летных часов и 6159 полетов). Заменена часть обшивки в районе шпангоутов 39-40, стрингера 57; - самолет Ил-86 (1990 год выпуска, с наработкой с начала эксплуатации 14526 летных часов и 4018 полетов). Заменена часть обшивки в районе шпангоутов 35-37, стрингера 49 справа; - самолет Ил-86 (1986 год выпуска, с наработкой с начала эксплуатации 18153 летных часов и 7393 полетов). Заменена часть обшивки в районе шпангоутов 39-40, стрингеров 52-53; - самолет Ил-86 (1989 год выпуска, с наработкой с начала эксплуатации 21023 летных часов и 7630 полетов). Заменена часть обшивки в районе шпангоутов 67-68, стрингеров 51 пр.
Визуальный осмотр вырезанной обшивки показал, что коррозией поражено около 80 % от всей поверхности. Макро-анализ коррозионных повреждений выявил неравномерность поражения обшивки. На поверхности имеются как большие области с общей коррозией, так и отдельные язвенные пятна. При микроанализе была обнаружена межкристаллитная коррозия рис. 2.4.2. Результаты измерений глубины МКК представлены в приложении 2.
Статистическую полученной совокупности значении выполним в следующей последовательности: 1. Данные измерений случайной величины (глубины МКК) или преобразованной (логарифм глубины МКК) располагаем в порядке возрастания, таким образом, получаем вариационный ряд. 2. Построение гистограммы распределения. 3. Построение эмпирической кривой плотности распределения и вычисление статистических характеристик (табл. 2.4.1-2.4.2). 4. Расчет теоретического распределения наиболее близко совпадающего с эмпирическим распределением. 5. Вычисление оценки соответствия теоретического и эмпирического распределений с помощью критерия согласия %г Пирсона.
По виду гистограммы можно предположить, что вариационный ряд случайной величины logf/j ) подчиняется нормальному закону (формула 2.3.1-2.3.2). Для выравнивания кривой распределения в соответствии с указанным законом заменим вероятностные характеристики данными эмпирических рядов. Степень соответствия теоретического и статистического распределений оценивалась по критерию согласия Пирсона "критерий х "
В результате анализа теоретических кривых получено подтверждение выдвинутых гипотез о характере распределения глубины МКК - подчиняется логнормальному закону с вероятностью 49%. значение среднеквадратического отклонения свидетельствует о том, что развитие межкристаллитных поражений характеризуется значительным рассеянием. 2.5 Прогнозирование критических по условию коррозионного поражения зон конструкции планера самолета SSJ-100
При формировании перечня конструктивных элементов для программы контроля и предупреждения коррозии конструкции планера самолета рассматривалась конструкция планера по принципу «сверху-вниз», проводимому в соответствии с MSG-3 по методике зонного анализа [205]. Основная цель зонного анализа - формирование перечня конструктивных элементов для программы зонных осмотров на предмет коррозионных поражений, усталостных повреждений и случайных повреждений конструкции планера ВС. Типовая логическая схема методики зонного анализа приведена на рис. 2.5.1-2.5.2. Схема служит руководством и может изменяться в соответствии методиками и политикой конкретной компании.
Согласно техническим чертежам конструкции самолёта SSJ-100 выделим зоны расположения технических отсеков, кухонных и туалетных модулей, зон багажных отсеков. На рисунке 2.5.3 представлена общая схема конструкции фюзеляжа самолёта SSJ-100.
В таблице 2.5.1 на основании проведенного зонного анализа представлен перечень предполагаемых элементов конструкции фюзеляжа самолёта SSJ-100 с коррозионными поражениями. В приложении 3 представлен перечень конструктивно важных элементов конструкции фюзеляжа самолёта SSJ-100 с указанием предполагаемых элементов с коррозионным поражением. На основании данного перечня конструктивно важных элементов составлены карты контроля с технологией проведения работ по контролю коррозионного состояния фюзеляжа самолета семейства SSJ-100. На рисунке 2.5.4 выделены зоны предполагаемого коррозионного поражения конструкции фюзеляжа самолёта SSJ-100.
Метод оценки влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины для типовых зон конструкции планера
Прогноз прочности конструкции планера, имеющей коррозионные дефекты, базируется на результатах расчетно-экспериментальных исследований, целью которых является экспериментальное обоснование статической прочности, усталостной долговечности и живучести этих участков. В работе [8] представлены основные алюминиевые сплавы, используемые в современном самолетостроении: В96ЦЗпч, В95оч, В95пч, 1933, 1163Т, 1420,1424, 1441,В-1469.
В отечественном самолетостроении наиболее распространенными сплавами, применяемыми для обшивки планера самолетов, являются деформируемые алюминиевые сплавы на базе системы Al-Cu-Mg: 1163, Діб. Указанные сплавы интенсивно упрочняются термической обработкой, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии. Сплав серии 1163 относится к современным сплавам, используется в конструкциях современных самолетов и пришел на замену сплавам Діб и Д16ч, которые, как правило, использовались в более ранних отечественных конструкциях самолетов.
В литературе достаточно широко исследованы механические характеристики статической прочности и усталостной долговечности при коррозионных поражениях алюминиевых сплавов марки Д16АТ, Д16АТВ, Д16Т [12-13, 90-97, 54-60, 201-202]; В95Т, В95, В92Т [90-97, 201-202], в то время как для сплава серии 1163 при коррозионных поражениях данных гораздо меньше. Характеристики трещиностойкости для сплава серии 1163 при коррозии в литературе практически отсутствуют. Некоторые результаты публиковались в работах автора [35, 111-114,140-141].
В данной главе автором изложены результаты механических испытаний конструкционных алюминиевых сплавов серии 1163, Діб табл. 4.1.1, а также их общий анализ и оценка влияния коррозионных повреждений на исследуемые характеристики.
Маркировка сплавов представлена в ОСТІ 90246-77. Приведем некоторые из обозначений: (A) -с нормальной плакировкой, (Т) - закаленный и естественно состаренный, (B) - повышенного качества прокатки. Таблица 4.1.1 Марки алюминиевых сплавов, исследуемых в диссертационной работе Марка сплава Полуфабрикат Толщина Вид испытаний Обозначение сплава 1163 AT лист 1,35 На растяжениеНа усталостьНа трещиностойкость 1163АТл1,35 1163АТВ лист 1,15-1,35 На растяжение На усталость 1163АТВ л 1,15-1,35 1163Т плита На усталость ПбЗТп 1163РДТВ лист На растяжение 1163РДТВл1,35 Д16АТВ лист На растяжениеНа усталостьНа трещиностойкость Д16АТВ л 1,1-2,8 ДІбчАТ лист На растяжениеНа усталостьНа трещиностойкость ДІбчАТ л 1,5 Сформулируем основные цели и задачи механических испытаний образцов с коррозией: - на основе результатов испытаний получить характеристики статической прочности, усталостной долговечности и трещиностоикости исследуемых конструкционных алюминиевых сплавов и оценить на них влияние коррозии; на основании полученных оценок разработать инженерный метод учета влияния коррозионных поражений на усталостную прочность типовых зон конструкции планера и расчета допустимых размеров коррозионного поражения для типовых зон конструкции планера по условию усталостной прочности; 118 - на основании полученных оценок разработать инженерный метод учета влияния коррозионных поражений на скорость роста усталостной трещины для типовых зон конструкции планера. Для достижения поставленных целей: - изготовлены стандартные плоские образцы для проведения статических испытаний на растяжение. Проведены статические испытания; - изготовлены стандартные образцы типа полосы с центральным отверстием для усталостных испытаний. Проведены испытания на усталость; - изготовлены стандартные образцы типа полосы с центральной трещиной. Проведены циклические испытания на трещиностойкость; - для каждого вида испытаний изготовлены образцы с коррозионным дефектом. Проведены испытания на статическую прочность, усталостную долговечность и трещиностойкость исследуемых материалов при коррозионном поражении. Основные задачи при проведении механических испытаний образцов (имитаторов элементов конструкции планера с поверхностными коррозионными повреждениями) заключались в следующем: - смоделировать структуру разрушения материала от коррозии, максимально приближенную к структуре, встречающейся при эксплуатации авиационной техники; - разработать методику контроля характера разрушения материала от коррозии на основе металлографического исследования структуры коррозионного поражения; - экспериментально определить влияние коррозии на исследуемые прочностные характеристики материала. 4.2 Общие положения, изготовление и подготовка образцов для проведения испытаний по определению механических характеристик, усталостной долговечности и трещиностойкости конструкционных алюминиевых сплавов серии Діб и 1163 при коррозионном поражении
Основными нормативными документами при изготовлении образцов для испытаний на определение характеристик статической прочности материала являлись ГОСТ 1497-84, ГОСТ 11701-84.
Для проведения статических испытаний на растяжение изготавливались два типа образцов: пропорциональные плоские образцы соответствующие типуі ГОСТ 1497-84 (см. рис. 4.2.1.1) и образцы с искусственным коррозионным дефектом, аналогичные стандартным образцам (см. рис. 4.2.1.2). При вырезке и изготовлении образцов обеспечивался минимальный наклеп, остаточные напряжения, а также изменения структуры и фазового состава в зоне разрушения образца.
Испытания проводились согласно ГОСТ 1497-84. Коррозия моделировалась по всей ширине и длине рабочей части образца. Измерения глубины коррозионного поражения проводились в пяти точках коррозионного пятна. В качестве параметра коррозионного дефекта, описывающего геометрический размер коррозионного поражения, рассматривается относительная глубина коррозионного поражения в зоне разрыва образца.
