Введение к работе
Отражение современного этапа развития экономики России на состоянии гражданской авиации характеризуется всё большим старением и износом парка воздушных судов, заметная доля которых работает на продлённом ресурсе, что существенно ужесточает требования к оценке технического состояния, работоспособности и живучести авиаконструкций.
Развитие рыночных отношений вместе с тем приводит к интенсификации лётной работы, что существенно повышает уровень силового воздействия на конструкцию и может отрицательно влиять на её надёжность и безопасность полётов.
Повреждения, возникающие в характерных для воздушного судна тонкостенных элементах конструкции, в основном связаны с образованием трещин и отверстий. Эти нарушения целостности снижают сопротивление основным нагрузкам, а также могут приводить к полной или частичной утрате работоспособности силовых элементов. Наиболее опасными являются усталостные разрушения силовой установки, крыла, хвостового оперения. По планеру наибольшую опасность представляют усталостные разрушения крыла. Представление о состоянии трещиностойкости конструкции отечественных самолётов гражданской авиации дают результаты документирования 18-ти самолётов Ил-76Т и ТД, на которых проводились работы по продлОнию назначенных и межремонтных ресурсов и сроков службы.
К числу основных дефектов конструкции планера, выявленных при ведении документирования технического состояния, относятся трещины и пробоины (30,3%), деформации (4,6%); разрушение элементов конструкции (3,0%).
Для решения проблемы обеспечения живучести конструкции ЛА необходима реализация комплексных методов исследований, начиная со стадии эскизного проектирования самолета и заканчивая периодом развернутой эксплуатации.
В связи с этим актуальность реферируемой работы состоит в попытке возможно более точной оценки несущей способности конструкции при наличии таких повреждений и создании на этой основе уточнённых методик оценки технического состояния силовых элементов летательного аппарата, как в процессе эксплуатации, так и при необходимости продления ресурса.
Моделированию поведения тонкостенных конструкций, ослабленных отверстиями, посвящены работы С.Н. Кана, А.Н. Гузя, В.П. Георгиевского и
I нос мтонЛЖнмГ
БИБЛИОТЕКА С-Петербург
ряда других авторов. В этих работах общее напряженное состояние представляют в виде суммы основного и возмущенного (компенсационного) напряженных состояний. Основным считается состояние оболочки без отверстия, а возмущенным - состояние, корректирующее распределение напряжений с учётом наличия отверстий в оболочке. Основное состояние предполагается известным, а возмущенное напряженное состояние подлежит определению. При этом в работах большинства исследователей задача определения напряженно - деформированного состояния оболочки с отверстием сводится к решению краевой задачи для уравнений теории пологих оболочек. Краевые условия задаются на контуре, форма которого соответствует форме отверстия в оболочке, и, кроме того, записываются условия затухания возмущений при удалении от контура «на бесконечности».
Существенным фактором, ограничивающим достоверность полученных в этом случае результатов, является использование авторами уравнений пологих оболочек, т.к. это накладывает ряд требований, как на геометрию самой оболочки, так и характер напряжённого состояния при повреждении. Кроме того, следует иметь ввиду, что при решении задач динамики с использованием этих уравнений для оболочек средней длинны можно получить весьма значительную погрешность, как в определении частот собственных радиальных колебаний, так и в значениях напряжений при вынужденных колебаниях. А весь спектр частот продольных и тангенциальных колебаний остаётся вообще за пределами полученных результатов. Одним из недостатков описанного подхода является также и очень медленная сходимость рядов для напряжений.
В этой связи, более целесообразным является подход, основанный на использовании для решения задачи о влиянии на поведение оболочки отверстий и трещин уравнений линейной теории оболочек. Учет особенностей, связанных с локальностью характера повреждений, имеет смысл производить с помощью так называемых функций динамической податливости, математическим аналогом которой является функция Грина. Этот же подход даёт возможность решения задач определения напряжённо-деформированного состояния пластин и оболочек при наличии трещин. В таком варианте появляется возможность оценки живучести тонкостенных элементов авиаконструкций с помощью установления связи между коэффициентом концентрации напряжений и коэффициентом интенсивности в допущении о том, что характер изменения напряжений в вершине трещины совпадает с известной картиной, полученной решением задачи теории упругости для растянутой пластины.
^
Таким образом, целью настоящей работы является:
-разработка научных основ методики оценки технического состояния элементов летательного аппарата, как в процессе эксплуатации, так и при решении задачи продления ресурса на базе уточнённого учёта влияния повреждений на характер напряженно-деформированного состояния и живучесть тонкостенных элементов авиаконструкций.
В работе поставлены и решены следующие основные задачи исследования:
-разработка научно-методических основ расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов авиаконструкций с учетом эксплуатационных повреждений под действием статических эксплуатационных нагрузок и при вынужденных колебаниях;
-оценка влияния повреждений на частоты собственных колебаний элементов авиаконструкций;
-разработка методической основы подхода к оценке живучести авиационных конструкций с повреждениями.
Научная новизна полученных результатов определяется тем, что в работе
-произведена оценка пределов применимости различных вариантов теории оболочек для решения, как задач настоящего исследования, так и других задач расчёта динамики тонкостенных конструкций;
-уточненное решение задачи определения напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов авиаконструкций при наличии в них повреждений типа отверстий и трещин получено на основе линейной теории оболочек без каких-либо дополнительных допущений;
-произведены качественный и количественный анализ влияния повреждений на спектр частот собственных колебаний тонкостенных элементов авиаконструкций и оценка возможностей использования для обнаружения скрытых повреждений частотного метода диагностики, основанного на экспериментальном определении изменений частотного спектра.
На защиту выносятся следующие результаты исследований автора: -разработка уточнённого метода расчёта напряжённо-деформированного состояния тонкостенных элементов авиаконструкций, выполненных в виде пластин и оболочек, при наличии в них эксплуатационных повреждений в виде отверстий и трещин;
-результаты оценки пределов применимости различных вариантов теории оболочек для решения, как задач настоящего исследования, так и других задач расчёта динамики тонкостенных конструкций;
анализ влияния повреждений на спектр частот собственных колебаний тонкостенных элементов авиаконструкций и оценка возможностей использования частотного метода диагностики для обнаружения скрытых повреждений;
методическая основа подхода к оценке живучести рассматриваемых конструкций с повреждениями.
Достоверность результатов работы базируется на корректном использовании математического аппарата, положений классической теории оболочек и экспериментальной проверкой адекватности полученных решений.
Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы для практического использования при оценке работоспособности тонкостенных элементов авиаконструкций с учётом эксплуатационных повреждений и решении проблемы обеспечения живучести конструкции ЛА, начиная со стадии эскизного проектирования самолета и заканчивая периодом развернутой эксплуатации, в НИИ ГА и авиационных конструкторских бюро.
Они используются в учебном процессе МГТУ ГА и при выполнении студентами выпускных квалификационных работ.
Материалы диссертационной работы прошли апробацию при выполнении работ по гранту МГТУ ГА, докладах на научных семинарах Университета и расширенном научно-техническом семинаре кафедры "Двигатели летательных аппаратов".
По своей структуре работа состоит из четырёх глав, выводов и списка использованной литературы. Изложение материала занимает 115 страниц печатного текста, 18 рисунков и 3 таблицы.
