Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных методов оценки несущей способности элементов конструкций воздушных судов с эксплуатационными коррозионными поражениями
1.1. Анализ работ по оценке технического состояния ВС с коррозионными повреждениями 15
1.2. Анализ методов определения прочностных характеристик элементов конструкции планера ВС с коррозионными повреждениями 22
1.3. Цель и задачи исследования 34
2. Анализ эксплуатационных повреждений воздушных судов гражданской авиации
2.1. Разработка электронной базы данных для анализа эксплуатационных повреждений воздушных судов гражданской авиации 37
2.2. Инженерный анализ эксплуатационных коррозионных повреждений самолетов ТУ-154Б,М и ИЛ-86 42
2.3. Оценка технического состояния самолетов ТУ-154Б,М и ИЛ-8 6 при выполнении работ по увеличению ресурсов и сроков службы, расширения допуска на проведение периодических форм технического обслуживания 55
2.4. Статистический анализ коррозионных повреждений планера самолета ТУ-154Б,М 68
2.5. Выводы
3. Расчетная оценка напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов авиаконструкций в зоне коррозионного дефекта
3.1. Основы метода конечного элемента (МКЭ), основные соотношения МКЭ 80
3.2. Оценка уровня концентрации напряжений на конструктивных элементах с коррозионными повреждениями 8 6
3.3. Результаты исследования напряженно-деформированного состояния и оценки долговечности образцов-имитаторов обшивки ВС с двухсторонним и односторонним дефектами 99
3.4. Выводы 105
4. Исследование усталостной долговечности элементов конструкции планера самолета с коррозионными повреждениями
4.1. Некоторые вопросы оценки долговечности элементов конструкций с коррозионными повреждениями 107
4.1.1. Методика эксперимента, образцы для испытаний, оборудование 111
4.1.2. Методика расчетно-экспериментальной оценки долговечности элементов конструкции с коррозионными повреждениями 117
4.1.3. Методика оценки предельного состояния по долговечности типовых элементов конструкции с коррозионными повреждениями 127
4.2. Экспериментальная оценка долговечности элементов конструкции самолетов ИЛ-8 6, поврежденных коррозией 135
4.2.1. Методика эксперимента, образцы для испытаний 137
4.2.2. Оценка долговечности элементов конструкции, пораженных межкристаллитнои коррозией и статистический анализ результатов металлографических исследований 139
4.3. Выводы 156
Заключение 158
Литература
- Анализ методов определения прочностных характеристик элементов конструкции планера ВС с коррозионными повреждениями
- Инженерный анализ эксплуатационных коррозионных повреждений самолетов ТУ-154Б,М и ИЛ-86
- Результаты исследования напряженно-деформированного состояния и оценки долговечности образцов-имитаторов обшивки ВС с двухсторонним и односторонним дефектами
- Методика оценки предельного состояния по долговечности типовых элементов конструкции с коррозионными повреждениями
Анализ методов определения прочностных характеристик элементов конструкции планера ВС с коррозионными повреждениями
В работе Карлашова А. В. [54] был проведен анализ технического состояния и обобщены результаты периодических обследований коррозионных повреждений в процессе технического обслуживания и ремонта самолетов Ту-104, Ил-18, Ан-10, Ту-114, Ан-24. В 1980 году в работах КИИГА проведены аналогичные исследования для самолетов Ту-134 и Ту-154. Установлены элементы конструкции планера, наиболее подверженные коррозионному поражению. Определены типы коррозии, характерные для ВС ГА. Отмечено, что изменение коррозионного состояния ВС связано конструктивно-технологическими особенностями, определяющими начальное качество изделий, и определяется условиями эксплуатации. Получены данные об интенсивности коррозионных повреждений в зависимости от срока эксплуатации. Многообразие и стохастический характер воздействия эксплуатационных факторов приводит к тому, что при одной и той же наработке или продолжительности эксплуатации авиационные конструкции имеют далеко не одинаковое техническое состояние.
В работе [9] анализируется информация о коррозионных повреждениях, выявленных при капитальных ремонтах Р-1 и Р-2 самолетов типа Ту-154-Б,М за период 1995-2000 годов. Анализировались самолеты различных авиакомпаний: России, Болгарии, Ирана, Китая, Польши, Грузии, Азербайджана, Венгрии. Установлено, что: - более 50% самолетов, поступивших на ремонт, имеют коррозионные повреждения; - основным фактором, определяющим масштабы развития коррозионных повреждений, является эксплуатационная наработка (т.е. время непосредственной эксплуатации самолета); - для накопления и обобщения информации о коррозионном состоянии парка ВС типа Ту-154 необходимо контролировать полноту и правильность заполнения всей технической документации, особое внимание уделять "Паспорту коррозионного состояния воздушного судна";
В работе [94] рассматривается подход к оценке коррозионного состояния ВС на основе классификации коррозии по четырем направлениям: по механизму протекания коррозионного процесса, по характеру коррозионных разрушений, по зонам охвата коррозии и их взаиморасположению, по степени влияния на безопасность эксплуатации ВС. Принимая за основу данную классификацию коррозионных повреждений в работе [94] предлагается методика оценки элементов конструкции планера самолетов. Назначаются уровни коррозии по системе рейтинга, аналогично существующей за рубежом. Рейтинговая система основывается на оценке следующих факторов: трудности доступа к данной зоне; повторяемости повреждения в эксплуатации; степени опасности в зависимости от вида коррозии и ее геометрии; возможности постоянного контроля скорости развития коррозионно-усталостных повреждений; близости данного повреждения к соседним повреждениям, каждое из которых оценивается по тестовой системе баллов. Таким образом, рейтинговая система устанавливает гибкий контроль состояния конструкции без снижения ее безопасности ниже требуемого уровня. В зависимости от суммарного количества баллов определяется система технического обслуживания или ремонта, предполагающая периодические осмотры или доработки конструкции в зависимости от степени тяжести коррозионных повреждений.
Преимущество представленной схемы заключается в простоте использования в процессе эксплуатации ВС, что особенно важно для эксплуатантов. С точки зрения оценки статической прочности и усталостной долговечности материала, подверженного коррозии, необходимо проведение испытаний и теоретического расчета, позволяющего оценить опасность того или иного типа коррозионного дефекта. С повышением требований к безопасности конструкции заключения, основанные только на информации накопленной за период эксплуатации парка ВС, становятся недостаточными для однозначности выводов, особенно при переходе к обслуживанию самолетов по техническому состоянию.
По существующим нормам каждый тип ВС регулярно или по мере наработки подвергается контрольным осмотрам с целью выявления возможных дефектов или разрушений и организации ремонтно-профилактических работ. Разрабатываются перечни мест конструкции планера и его элементов, подлежащие контролю при выполнении технического обслуживания в процессе отработки установленного ресурса для всех эксплуатируемых типов ВС. Такими местами могут быть зоны конструкции, критические по условиям усталостной прочности и коррозии, элементы функциональных систем ВС, отказ которых может привести к возникновению опасной ситуации в полете. Согласно работе [2] в таблице 1.1.1 приведен пример перечня зон наиболее подверженных коррозии для планера самолета типа Ту-154.
Инженерный анализ эксплуатационных коррозионных повреждений самолетов ТУ-154Б,М и ИЛ-86
Количественный анализ проводился с целью создания картины распределения типов дефектов по агрегатам планера ВС и их элементам. Общее представление о повреждаемости конструкции планера самолета позволяет выбрать правильные корректирующие мероприятия по предотвращению отказов, аварийных ситуаций и катастроф.
Конструкция самолета Ту-154 рассматривалась по составным частям: фюзеляж, крыло, хвостовое оперение, мотогондолы. Самолета Ил-8 6 - фюзеляж, крыло, хвостовое оперение, шасси. Для каждой части построены процентные диаграммы повреждений конструкции планера самолета различными типами дефектов. Условно дефекты классифицировались по четырем группам: износ, коррозия, механическое повреждение и усталость. Такие диаграммы позволяют наиболее информативно представить уровень повреждаемости составных элементов конструкции планера.
С использованием разработанной в диссертации базы данных, на рисунках 2.2.1-2.2.6 представлены диаграммы с количественной оценкой дефектов на конструкции планера для самолетов Ту-154-Б,М. При анализе дефектов не учитывались повреждения, не влияющие на несущую способность конструктивных элементов конструкции самолета. Из диаграммы, рисунок 2.2.1, видно, что на коррозию приходится 8 6.23% всех дефектов, обнаруженных на конструкции планера, на усталость - 6.48%, износ - 5.67%, механические повреждения - 1.62%. Такой большой процент повреждений, приходящийся на коррозию, обусловлен природой возникновения данного типа дефекта. С увеличением срока службы самолета процесс корродирования металлических изделий избежать невозможно. Возможно лишь понизить уровень коррозионных повреждений путем разработки и внедрения процедур по защите элементов конструкций от коррозии при проведении регламентных работ по техническому обслуживанию. Проведение количественного анализа помогает выявить наиболее уязвимые места в конструкции самолета, определить частоту появления коррозии на основных элементах планера.
Как следствие, такой большой процент коррозионных повреждений говорит о "старении" парка эксплуатирующихся самолетов, а также о качестве технического обслуживания. Учитывая актуальность данного вопроса, особенно интересно подробное рассмотрение основных элементов конструкции планера самолета. Насколько часто встречается коррозионное поражение на том или ином конструктивном элементе? Ответ на этот вопрос позволит уточнить перечни зон контроля при проведении дефектации самолета. Такой подход целесообразен не только при исследовании коррозионных поражений, но и для других повреждений: износа и усталости. Однако следует отметить, что коррозионный дефект является более случайным нежели усталостное повреждение, которое напрямую зависит от типа конструкции элемента и его нагруженности.
На диаграмме рисунок 2.2.2 показано распределение дефектов по выбранным агрегатам конструкции планера. Наиболее сильно повреждениям подвержен фюзеляж самолета 87.85%, на крыло приходится 7.89%, оперение и мотогондолы -2.43% и 1.82%, соответственно.
Такие показатели характерны для парка самолетов Ту-154-Б,М. Проведем классификацию дефектов по типам повреждений отдельно для фюзеляжа. На диаграмме рисунок 2.2.3 представлен результат такой процедуры. Исследование показало, что в эксплуатационные повреждения конструкции фюзеляжа входят: износ - 1.61%, усталость - 2.07% и коррозионные дефекты - 96.31%. Анализируя диаграмму, можно
Результаты исследования напряженно-деформированного состояния и оценки долговечности образцов-имитаторов обшивки ВС с двухсторонним и односторонним дефектами
Как показала инженерная оценка дефектов на конструкции планера самолета, проблема борьбы с коррозией в эксплуатации воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА) приобретает все большую актуальность. Увеличение парка стареющих самолетов - заставляет разработчика, эксплуатанта, авиационные власти разрабатывать и внедрять в эксплуатацию более надежные методы и средства контроля коррозионных повреждений.
С точки зрения прочности коррозионные дефекты можно отнести к нерегулярным зонам концентрации напряжений, поэтому данный тип повреждения приводит к уменьшению остаточной прочности и долговечности конструкции самолета. Своевременное обнаружение и устранение коррозионных дефектов является одной из обязательных процедур поддержания летной годности ВС. Указанием ФАС №3.10-3 от 23.01.98 введено требование по созданию для каждого ВС паспорта коррозионного состояния, который включает в себя сведения обо всех коррозионных дефектах, обнаруженных на планере самолета. Такая информация о коррозионных дефектах, поступившая от эксплуатантов, должна быть использована в полной мере. Необходимо попытаться найти связь между размерами коррозионного дефекта, наработкой самолета и сроком службы.
Особенностью коррозионных процессов является поливариантность, когда большое число факторов оказывает одновременное и часто противоположное действие на интенсивность развития повреждений. Будем рассматривать появление коррозионного дефекта некоторой величины, как случайное событие. То есть, введем параметр, характеризующий размеры коррозионного дефекта, как случайную величину. Таким образом, используя теорию вероятностного анализа, можно выявить основную закономерность, свойственную данному явлению. Такой подход дает возможность проводить прогноз на коррозионное состояние самолетов. Основываясь на этом прогнозе можно формировать предложения по проведению работ по техническому обслуживанию. Предлагать методы борьбы с коррозионными поражениями.
В разделе проведена статистическая оценка коррозионных повреждений типовых элементов конструкции фюзеляжа самолета ТУ-154-Б,М, полученная на основе результатов обработки информации хранящейся в БД.
Введем обобщенный параметр а = —г, (где F-площадь коррозионного дефекта, h-максимальная глубина коррозионного дефекта), характеризующий размеры коррозионного повреждения после удаления коррозии и зачистки согласно инструкции регламента технического обслуживания (РТО).
При проведении количественной оценки коррозионных повреждений было выявлено, что наиболее сильно в конструкции планера самолета Ту-154-Б,М повреждены элементы фюзеляжа: стрингер и обшивка см. предыдущие разделы. Для этих конструктивных элементов самолета проведем статистический анализ параметра а. Для дальнейшей статистической обработки будем рассматривать величину /? = lg(a). а) Статистическая оценка для конструктивного элемента фюзеляжа - стрингера.
Статистической обработке подлежало 133 значения случайной величины /? = lg(cr). Числовые характеристики для исследуемой случайной величины р имеют следующие значения: тр = п /=1 п = 4,0144 - среднее статистическое, ±(л- ;У D = — п = 1,272 - дисперсия, а р =jDp = 1,278 - среднеквадратическое отклонение где pt - значение случайной величины в і-м коррозионном повреждении, п - число коррозионных повреждений.
Методика оценки предельного состояния по долговечности типовых элементов конструкции с коррозионными повреждениями
Многие важные практические проблемы в науке и технике сводятся к математическим моделям, которые принадлежат классу краевых задач. Для любых краевых задач характерно наличие некоторой области Q, лежащей внутри границы Г. Реальная задача в области Q моделируется дифференциальным уравнением в частных производных, решение которого отыскивается при определенных ограничениях - условиях, заданных на границе области. Если область п трехмерная, то Г представляет собой ограниченную ее поверхность; в двумерных задачах п - плоская область, а Г ограничивающий ее контур. Примеры краевых задач можно встретить во многих областях, в таких как механика твердого тела, тепло- и массоперенос, течение жидкости, электростатика.
В зависимости от сложности краевой задачи, можно говорить о сложности построения аналитического решения. Наиболее просто его получить, когда область п однородная (т.е. свойства материала в п не изменяются от точки к точке), когда граничные условия на контуре Г сравнительно просты и, наконец, когда определяющие дифференциальные уравнения в частных производных линейны, вследствие чего суммирование некоторых их решений дает новое решение в области п .
Для „реальных" задач построить аналитическое решение зачастую не удается. Даже когда определяющие дифференциальные уравнения в частных производных линейны, область п может оказаться неоднородной, а граничные условия - трудно описываемыми простыми математическими функциями. В таких случаях, используя численные методы, при помощи вычислительных машин можно найти приближенное решение. Развитие средств вычислительной техники и численных методов расчета конструкций (конечных разностей, конечных элементов, граничных элементов) значительно расширяет возможности при исследовании упруго-пластических напряженных состояний в зонах концентрации и способствует их использованию в инженерных целях. Очень широко применяется метод конечных элементов (МКЭ).
МКЭ является эффективным общим методом для решения широкого круга краевых задач механики сплошной среды. Он основан на замене исследуемого объекта совокупностью конечного числа дискретных элементов, связанных между собой в узлах. В этом случае схема создания математической модели следующая: исследуемый объект - идеализированная расчетная схема - система линейных алгебраических уравнений. Непосредственный переход к расчетной схеме из соображений механики дает возможность естественно формулировать граничные условия, произвольно располагать узлы сетки элементов, сгущая ее в местах ожидаемого большого градиента искомых величин, применять метод для исследования областей, состоящих из фрагментов различной физической природы. Литература, посвященная теории и реализации МКЭ, весьма обширна. История метода отражены в обзорах O.K. Зенкевича [51], Д.В. Вайнберга и др. [21]. Также следует отметить книги O.K. Зенкевича [52] и В.А. Постнова, Хархурим И.Я. [81] в которой исчерпывающе изложена теория метода. МКЭ предполагает следующую последовательность проведения расчета по МКЭ: 1. Разбиение тела на конечные элементы и назначение узлов, в которых определяются перемещения. 2. Определение зависимостей между усилиями и перемещениями в узлах элемента, т.е. построения матриц жесткости. 3. Составление системы алгебраических уравнений равновесия. 4. Решение системы уравнений. 5. Определение компонентов напряженно-деформированного состояния тела. Внутренняя узловая Узловая точка точка v на границе
Схема аппроксимации в задаче МКЭ требует, чтобы вся область п была разбита, как показано на рисунке 3.1.1, на сетку элементов. При этом цель состоит в отыскании решения задачи в узлах сетки, а решение внутри элемента выражается через значения в узлах с помощью функций форм. Связывая эти приближенные выражения с исходными дифференциальными уравнениями в частных производных, в конечном счете приходим к системе линейных алгебраических уравнений, в которых неизвестные параметры - узловые значения в области о выражаются через известные величины в узлах сетки, находящихся на границе области. Это система уравнений большая, но разряженная, то есть хотя она и содержит большое число неизвестных параметров и, следовательно, большое число линейных уравнений, но каждое уравнение включает в явном виде только часть неизвестных параметров.
Для двумерной задачи, в случае треугольных элементов, на которые может быть разделено непрерывное тело, общее напряжение, действующее на один элемент, подсчитывается как суперпозиция компонент сил, приложенных в узлах элемента, а деформации представляются перемещениями узлов. Деформация сторон элементов может происходить путем вращения, трансляции или изменения длины при условии сохранения их прямолинейности. Общее перемещение точки Р внутри элемента находят относительно узлов i,j,k и их перемещений ul,or... Если вектор-столбец деформации
