Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Состояние вопроса целесообразности применения композиционных материалов в конструкции боевого летательного аппарата. постановка задачи исследования 23
1.1. Место композиционных материалов в истории развития авиастроения и двигателестроения 24
1.2. Состояние вопроса живучести летательного аппарата 28
1.3. Общая формулировка задачи исследования 40
1.4. Выводы по разделу 1 44
РАЗДЕЛ 2. Общие сведения о композиционных материалах и их свойствах 46
2.1. Краткие сведения о композиционных материалах и их компонентах 46
2.1.1. Общие сведения о композиционных материалах 46
2.1.2. Характеристика компонентов композиционных материалов 56
2.1.3. Полимерные композиционные материалы 67
2.1.4. Углерод-углеродные и керамические композиционные материалы. Металлы, армированные волокнами 71
2.2. Определение характеристик композиционного материала 80
2.2.1. Упругие характеристики композиционного материала 81
2.2.2. Прочностные характеристики композиционного материала 91
2.3. Технология производства изделий из композиционного материала 97
2.4. Методы неразрушающего контроля качества изделий из композиционного материала 100
2.4.1. Визуальные методы неразрушающего контроля 101
2.4.2. Ультразвуковые методы диагностики ..102
2.4.3. Звуковые методы контроля 104
2.4.4. Радиография 105
2.4.5. Методы неразрушающего контроля на основе электрических свойств 107
2.4.6. Микроволновая техника (СВЧ-методы) 108
2.4.7. Инфракрасные (термические) методы контроля 110
2.5. Ремонт изделий из композиционного материала, 112
2.6. Современные тенденции в создании перспективных композиционных материалов для самолета и его двигателя 118
2.7. Выводы по разделу 2 123
РАЗДЕЛ 3 . Композиционные материалы в деталях и узлах летательного аппарата и его силовой установки 125
3.1. Научное прогнозирование направлений развития авиационной техники 127
3.1.1. Основные понятия и общие положения научно-технического прогнозирования 127
3.1.2. Настоящее и будущее авиастроения 130
3.2. Практическое применение композиционных материалов в авиационной технике 144
3.2.1. Композиционные материалы в элементах конструкции летательного аппарата 146
3.2.2. Использование композиционных материалов в деталях и узлах силовой установки 154
3.3. Проблемы создания и применения новых материалов в конструкции самолета и газотурбинного двигателя 167
3.4. Научно-практические рекомендации по применению композитов в авиационной технике 171
3.5. Выводы по разделу 3 179
РАЗДЕЛ 4. Методология и оценка целесообразности применения композиционных материалов при создании перспективных образцов авиационной техники 181
4.1. Общие положения методологии целесообразности применения композиционных материалов в авиационных конструкциях 182
4.1.1. Летательный аппарат как сложная система 182
4.1.2. Методология целесообразности применения композиционных материалов в элементах конструкции двигателя и самолета 186
4.2. Выбор критериев прочности и эффективности использования композиционных материалов 189
4.3. Критерии прочности композиционного материала, 200
4.3.1. Критерий максимальных напряжений 202
4.3.2. Критерий максимальных деформаций 207
4.3.3. Критерий Мизеса-Хилла. 210
4.3.4. Критерий Ашкенази 217
4.3.5. Критерий Фишера 218
4.3.6. Критерий Захарова. 220
4.3.7. Критерий Малмейстера 221
4.4. Критерии оценки целесообразности применения композиционных материалов в конструкции силовой установки летательного аппарата 225
4.4.1. Оценка массовой эффективности летательного аппарата с элементами конструкции силовой установки из композиционных материалов 226
4.4.2. Оценка стоимостной эффективности летательного аппарата с элементами конструкции силовой установки из композиционных материалов 233
4.4.3. Критерии оценки боевой эффективности летательного аппарата с композитными деталями в конструкции силовой установки 240
4.5. Выводы по разделу 4 245
РАЗДЕЛ 5. Экспериментально-теоретические исследования несущей способности и повреждаемости элементов конструкции силовой установки из композиционных материалов 247
5.1. Работоспособность рабочих лопаток компрессора со сквозным повреждением 247
5.1.1. Методика оценки работоспособности поврежденных лопаток газотурбинного двигателя 248
5.1.2. Экспериментальные установки для ударного нагружения рабочих лопаток. 258
5.1.3. Относительная погрешность замера скорости ударника. 277
5.1.4. Экспериментальная оценка повреждаемости рабочих лопаток 279
5.2. Несущая способность воздухоподводящего канала с повреждением 292
5.2.1. Методика оценки несущей способности воздуховода из композиционного материала 292
5.2.2. Экспериментальная оценка повреждаемости воздухоподводящего канала. 304
5.3. Выводы по разделу 5 314
РАЗДЕЛ 6. Оценка живучести летательного аппарата с элементами конструкции силовой установки из композиционных материалов 316
6.1. Методика оценки живучести летательного аппарата с композиционными материалами в элементах
конструкции силовой установки 316
6.2. Анализ возможных средств поражения летательного аппарата и его газотурбинного двигателя 321
6.3. Оценка уязвимой площади силовой установки в задаче исследования живучести летательного аппарата, 328
6.4. Живучесть летательного аппарата с элементами конструкции силовой установки из композиционных материалов ...336
6.5. Выводы по разделу 6 353
Общие выводы 355
Список использованных источников
- Место композиционных материалов в истории развития авиастроения и двигателестроения
- Краткие сведения о композиционных материалах и их компонентах
- Научное прогнозирование направлений развития авиационной техники
- Общие положения методологии целесообразности применения композиционных материалов в авиационных конструкциях
Введение к работе
Изменение геополитической обстановки на рубеже ХХЗ века существенно повысило вероятность развязьшания эвентуальным противником локальных войн и вооруженных конфликтов, в том числе и на территории Российской Федерации, поэтому генеральный вектор стратегии государства в военной области должен быть ориентирован на приведение основных количественно-качественных параметров оборонного строительства в соответствии с реальными задачами по парированию угроз национальной безопасности России.
При этом в системе технического обеспечения должно предусматриваться создание единой нормативной технической базы для централизованного программно-целевого планирования заказов вооружения, военной техники и других материальных средств, организации и проведения мероприятий по техническому обеспечению военной организации в мирное и военное время.
Оптимизация системы технического оснащения военной организации предполагает концентрацию сил и средств на восстановлении и поддержании в боевой готовности имеющихся систем вооружения, на их модернизации, создании научно-технического, конструкторского и технологического задела,
Несмотря на трудности конца XX века, в России на этих приоритетных направлениях достигнуты определенные результаты. В частности, Воєнно
воздушным силам страны передан на войсковые испытания первый серийный модернизированный многоцелевой истребитель МиГ-29 СМТ. Его боевая эффективность в восемь раз выше, чем у базовой модели. Высокоэффективные и надежные корабельные истребители Су-27К поступили на вооружение Воєнно морского флота А такие новые и уже поставляемые боевые комплексы как Ка-50 «Черная акула», Ка-52 «Аллигатор», Ка-60 «Касатка» наряду с испытанными и новейшими вертолетами семейства «Ми» резко усилят возможности армейской авиации /I/.
Учитывая международную обстановку и внутреннее положение в стране, необходимо поддерживать обороноспособность на требуемом уровне, но при постоянно сокращающихся расходах на оборонные нужды, этот вопрос становится проблематичным.
В настоящее время перспективы прогресса в данной области машиностроения во многом связываются с разработкой и широким применением композиционных материалов (КМ), которые обладают комплексом свойств и особенностей, отжчающихся от традиционных конструкционных материалов (металлических сплавов).
Необычная ситуация возникла перед конструкторами и технологами в связи с ростом объема внедрения КМ практически во все отрасли машиностроения: при создании новых конструкций разработчик должен начинать свое творчество с гіроектирования композита Это требует не только обоснованного выбора исходных материалов - армирующих волокон, связующих, наполнителей, но и оптимизированных по конечному результату структуры композита, технологии его изготовления и переработки в готовое изделие.
Возможность организации серийного выпуска изделий из КМ предопределяется самым тщательным входным и пооперационным контролем, а гарантия работоспособности изделия может быть дана лишь на основании контроля
качества готовой продукции. Сравнительная дороговизна некоторых КМ, особенно на основе углеродных, борных и арамидных волокон, вызывает необходимость разработки и внедрения новых методов неразрушающего контроля всех выпускаемых изделий. В этой связи особое значение приобретает проблема стандартизации методов контроля и оценок по всем операциям технологического процесса Дня неразрушающего контроля композиционных материалов и изделий из них все шире используются методы сканирующей электронной микроскопии, «жидкокристаллического тепловидения», рентгенографии, лазерной техники и т.п.
Если в начале 70-х годов сверхпрочные, жесткие и легкие КМ называли материалами будущего, то сейчас они уже материалы сегодняшнего дня.
В авиационной промышленности из боропластиков, углепластиков и из композиционных материалов на металлической матрице изготавливают сред-ненагруженные элементы и узлы агрегатов самолета: поверхности управления, щитки, створки, обтекатели, элероны, закрылки, рули. Широко применяются композиты для изготовления лопастей вертолетных винтов. Из органоволокни-тов, обладающих хорошими диэлектрическими свойствами, успешно изготавливают «радиопрозрачные» обтекатели антенн, корпуса и детали радиоэлектронных приборов. Все чаще КМ используется в деталях и узлах газотурбинных двигателей (ГТД).
Так как условия работы этих материалов наиболее неблагоприятны, а отдача от их использования максимальная именно в военной технике, то в дальнейшем речь, в основном, будет вестись о применении КМ в элементах конструкции летательного аппарата (ЛА) военного назначения.
Оценивая возможности применения композиционных материалов в конструкциях боевых самолетов, необходимо учитывать возможные изменения эксплуатационно-боевых свойств ЛА. Среди общих требований, предъявляе-
мых к ЛА военного назначения, одним из основных является требование обеспечения заданного уровня боевой живучести (БЖ) их силовых установок (СУ) и БЖ самолета в целом.
Боевая живучесть, наряду с такими свойствами ЛА как скорость, дальность полета, маневренность, надежность и др., определяет успешность выполнения боевых задач, т.е. боевую эффективность самолета. Это свойство очень важно для военного ЛА, но проявляется оно только в боевых условиях при воздействии средств поражения (СП) противника. Однако заботиться об обеспечении высокой БЖ летательного аппарата необходимо в мирное время так же, как и о высокой надежности, безопасности полетов и т.п.
Решение этих сложных задач невозможно без проведения эффективных научных исследований по созданию новых, отвечающих современному уровню развития, боевых авиационных комплексов (БАК).
Повышение эффективности БАК достигается как совершенствованием его элементов, так и выбором рациональных условий и способов боевого применения. При совершенствовании боевого ЛА, как одного из составляющих комплекса, особое значение приобретают результаты научных исследований и их практическое применение в области использования новых конструкционных материалов.
До настоящего времени при исследовании БЖ элементов и систем летательного аппарата используются количественные методы, базирующиеся, как правило, на проведении экспериментальных отстрелов уже готовых образцов авиационной техники (AT), выполненных из традиционных материалов (ТМ). Однако боевая живучесть - это свойство ЛА, которое должно закладываться и исследоваться на всех этапах создания военного самолета или другой AT. А так как вопросы оценки остаточной прочности и устойчивости конструкций из КМ еще изучены недостаточно, то такие исследования позволят выбрать наи-
более рациональные мероприятия по повышению живучести СУ с элементами конструкции из композиционных материалов и ЛА в целом, а также значительно снизить расходы по проведению экспериментальных отстрелов дорогостоящей военной техники.
Силовая установка является одним из жизненно важных элементов ЛА военного назначения, а так как КМ все чаще применяются в нагруженных деталях и узлах авиационной СУ, то любые конструктивные мероприятия, проводимые на ней, должны быть оценены с точки зрения их влияния на эффективность БАК Существующие научные методы оценки целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки боевого ЛА уже не могут удовлетворить современным требованиям на разработку, производство и эксплуатацию перспективных образцов AT, так как не учитывают возможное изменение работоспособности ГТД при эксплуатационно-боевых повреждениях композитных конструкций.
Существующие способы и методы повышения эффективности авиационных СУ, в том числе и использование в их конструкции композитов, не могут в полной мере отвечать требованиям на создание перспективных образцов AT новых поколений.
Таким образом, актуальность работы обусловлена отсутствием аналитических методик оценки целесообразности применения композитов в конструкции ЛА и его силовой установки, а также количественной оценки БЖ летательного аппарата с элементами конструкции силовой установки из КМ. Такие методики позволят выбирать наиболее эффективные конструктивные решения при минимальных затратах времени и средств, чтобы использовать их уже при разработке тактико-технических заданий на новые образцы AT, а также на стадии проектирования летательного аппарата из композиционных и ТМ.
Кроме того, актуальность проблемы возрастает пропорционально росту стоимости ЛА военного назначения, когда даже минимальные потери самолетного парка приводят к значительным материальным затратам.
И более того, стремление уменьшить характер и размеры повреждений авиационных конструкций за счет применения новых конструкционных материалов одновременно создает благоприятные условия для восстановления поврежденного ЛА.
В соответствии с этим целью работы является решение научной проблемы повышения эффективности БАК за счет применения перспективных композиционных материалов в элементах конструкции силовой установки ЛА с учетом возможных эксплуатационно-боевых повреждений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Информационная - создание банка исходных данных для определения эксплуатационных и тактико-технических показателей жизненного цикла ГТД, силовой установки и летательного аппарата в целом, включающего в себя блоки данных исходной информации по физико-механическим характеристикам конструкционных материалов, по характеристикам средств поражения и возможным последствиям их воздействия по авиационным конструкциям, а также расчетного банка данных параметров процесса боевого применения авиационного комплекса с разработкой соответствующих программ для ЭВМ.
Теоретическая- разработка теоретических основ определения целесообразности применения новых перспективных конструкционных материалов в СУ летательного аппарата через показатели эффективности авиационных комплексов, работоспособности ГТД и несущей способности авиационных конструкций.
Методологическая - формирование общей методологии применения КМ в элементах конструкции силовой установки ЛА как средства для нового
метода получения требуемых эксплуатационно-боевых свойств авиационных комплексов, подтверждающего необходимость системного подхода для решения поставленной проблемы.
Математическая - разработка математического обеспечения блочного принципа оценки целесообразности применения КМ в конструкции летательного аппарата и его СУ на основе реализации многоуровневой системы критериев эффективности использования новых конструкщюнных материалов и функционирования авиационного комплекса.
Техническая - формирование набора технических средств для построения экспериментального комплекса по исследованию механических характеристик и повреждаемости элементов конструкции СУ, выполненных из различных материалов.
Организационно-производственная - выработка практических рекомендаций на изготовление композитных конструкций СУ, обеспечивающих требуемый уровень работоспособности газотурбинного двигателя с учетом показателей эксплуатационно-боевой живучести ЛА.
Научная новизна заключается в разработке метода определения целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА военного назначения с целью повышения боевой эффективности авиащюнных комплексов, ориентированного на повышение несущей способности авиационных конструкций и работоспособности СУ с эксплуатационно-боевыми повреждениями, отличающегося от известных информационным, теоретическим, методологическим, математическим, техническим и организационно-производственным обеспечением и основанного на новейших достижениях науки и техники.
Результаты, определяющие научную новизну:
1. Создан метод оценки целесообразности применения КМ в деталях и
узлах СУ военного ЛА на основе комплексного учета свойств перспективных конструкционных материалов и конструкций из них;
Усовершенствована многоуровневая система критериев и показателей эффективности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА;
Разработана методика количественной оценки эффективности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА, основанная на привлечении ранее не применявшегося в этой области метода определения работоспособности ГТД с повреждениями воздуховода (ВВ);
Обобщены результаты комплексного экспериментально-теоретического исследования повреждаемости и несущей способности композитных конструкций авиационной СУ, влияния повреждений элементов конструкции силовой установки из КМ на газодинамическую устойчивость двигателя.
Достоверность результатов исследования обеспечивается корректным использованием многократно апробированных методик расчета прочностных характеристик авиационных конструкций, современных методов статистической обработки динамических процессов и высокоточных измерительных приборов при вьшолнении экспериментов. Также достоверность проведенных исследований подтверждается их удовлетворительным совпадением с данными, полученными в результате обобщения опыта применения авиации в локальных военных конфликтах и при эксплуатации, а также с материалами исследований, полученными другими авторами.
Решение научно-технической проблемы основывалось на глубоком изучении фундаментальных отечественных и зарубежных исследований, литературных данных и вьшолнении натурных экспериментов. Методологической основой работы является системный подход к обеспечению живучести БАК, базирующийся на совместном рассмотрении вопросов повреждаемости и несущей способности элементов конструкции СУ, а также работоспособности
газотурбинных двигателей с эксплуатационно-боевыми повреждениями рабочих лопаток компрессора и ВВ. В работе применяются методы системного анализа, теории вероятности и математической статистики, методы статического моделирования и метод дискретных вихрей. Основные положения, выносимые на защиту:
Метод оценки целесообразности применения КМ в элементах конструкции СУ боевого ЛА. Повышение эффективности СУ самолета военного назначения при использовании КМ возможно только с учетом комплекса мероприятий, направленных на локализацию последствий от эксплуатационно-боевых повреждений и повышение несущей способности композитных конструкций;
Комплекс методик по оценке эксплуатационных, технических и экономических характеристик силовой установки и ЛА в целом при применении КМ в элементах их конструкции. Существенного уменьшения стоимости и массы авиационной СУ и самолета можно добиться при организации серийного производства новых конструкционных материалов и конструкций из них. Замена авиационных конструкций, выполненных из традиционных материалов (ТМ), на композитные конструкции, выполненные без специальных мероприятий по повышению их несущей способности, является нецелесообразной по отношению к ударным средствам поражения (СП);
Комплекс экспериментальных установок и результаты экспериментально-теоретических исследований повреждаемости и несущей способности авиационных конструкции из КМ, а также влияния повреждений ВВ на работоспособность СУ. Исследования несущей способности рабочих лопаток (РЛ) со сквозным повреждением показали, что коэффициент запаса прочности у бора-люминиевых лопаток в 1,5... 3,0 раза выше, чем у РЛ из титана, и в 3... 4 раза выше, чем у алюминиевых лопаток. Кроме того, с точки зрения эксплуатацион-
но-боевой живучести предпочтительнее боралюминиевые РЛ, вьтолненные без металлического лонжерона внутри пера лопатки, который при разрушении сам становится источником опасных вторичных осколков, поражающих основные несущие слои конструкционного материала РЛ и лопаток последующих ступеней компрессора.
При оценке целесообразности применения КМ в конструкции авиационной СУ необходимо учитывать наличие опасной «прикомпрессорной» зоны, разрушения в которой могут однозначно вывести двигатель из строя за счет нарушения его газодинамической устойчивости из-за большой вероятности возникновения срывного течения в осевом компрессоре. Для современных двигателей IV-ro поколения критическим может стать падение осевой составляющей скорости воздушного потока на входе в ГТД на 35... 50 м/сек. Исходя из размеров «прикомпрессорной» зоны конструкщія углегоіастикового ВВ должна иметь подкрепляющие элементы с шагом 150... 170 мм.
Практическая ценность результатов исследования заключается в том, что новый метод позволяет:
использовать методологические основы оценки целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки ЛА военного назначения с учетом всех исследованных свойств конструкционных материалов для выработки рекомевдадий по наиболее ращюнальным мероприятиям обеспечения эксплуатационной и боевой живучести авиационного комплекса;
прогнозировать характер повреждений элементов конструкции силовой установки из КМ и вероятность их возникновения в процессе эксплуатации военного ЛА при планировании и организации восстановления и ремонта боевой авиационной техники;
разработать новые практические рекомендации по совершенствованию авиационных конструкций из КМ на всех этапах жизненного цикла БАК отли-
чающиеся от известных учетом изменения газодинамической устойчивости ГТД при возможных эксплуатационно-боевых повреждениях СУ самолета. Личный вклад автора:
Разработка методологии оценки целесообразности применения КМ в конструкции силовой установки военного ЛА.
Усовершенствование многоуровневой системы критериев эффективности применения КМ в авиационных конструкциях.
Проведение расчетных исследований по определению характеристик КМ и несущей способности композитных элементов конструкции, эффективности и целесообразности применения КМ в конструкции СУ военного летательного аппарата
Руководство и непосредственное участие в проведении экспериментальных исследований.
Научное и методическое руководство разработкой частных методик оценки работоспособности СУ с повреждениями сверхзвукового входного устройства и осевого компрессора, а также живучести ЛА с элементами конструкции силовой установки из КМ.
Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения.
Во введении обосновывается актуальность проблемы, излагаются цель и задачи работы, ее научная новизна, основные положения диссертации, выносимые на защиту, методы исследования, достоверность полученных результатов, практическая ценность работы, личный вклад автора, структура диссертации, апробация работы, основные публикации и реализация.
В первом разделе дается краткая историческая справка о роли и месте КМ в авиационной іфомьішленности. Приводятся основные положения методики оценки боевой живучести ЛА. Излагается общая формулировка задачи исследования и производится ее постановка
Во втором разделе приводятся сведения о свойствах композитов и их компонентов. Излагаются методика и результаты расчета упругих и прочностных характеристик КМ. Производится сравнительный анализ основных характеристик традиционных и композиционных материалов. Описываются технология производства и ремонта, а также методы неразрушающего контроля качества изделий из КМ.
В третьем разделе раскрываются основные понятия научного прогнозирования направлений развития авиационной техники. Содержится краткий обзор о применении КМ в конструкции летательного аппарата и его СУ. Предлагаются научно-технические рекомендации по применению КМ в авиационных конструкциях.
В четвертом разделе описывается метод оценки целесообразности применения композитов в конструкции СУ летательного аппарата военного назначения. Рассматриваются ЛА как сложная система и основные принципы системного анализа при оценке эффективности использования КМ в авиационных конструкциях. Дается подход к выбору критериев эффективности применения новых материалов в конструкции СУ летательного аппарата и представлена система определяющих критериев. Анализируется содержание критериев массовой, размерной, стоимостной и боевой эффективности.
Пятый раздел содержит описание методики оценки работоспособности РЛ со сквозным повреждением. Описываются экспериментальные установки по ударному нагружению лопаток Приводится характер повреждаемости РЛ в зависимости от типа конструкционного материала, конструкции лопатки и координат ее повреждения. Делается сравнительная оценка несущей способности РЛ по результатам экспериментально-теоретических исследований.
В этом же разделе дается описание методики оценки несущей способности оболочечных композитных конструкций с повреждением. Описываются
экспериментальная установка и результаты экспериментальных исследований по ударному нагружению углепластикового воздухоподводящего канала (УВК) в зависимости от его конструкции, условий нагружения и СП. Анализируется сравнительная оценка несущей способности аналогичных конструкций из ТМ.
В шестом разделе представлены основные положения методики оценки боевой живучести ЛА с элементами конструкции силовой установки из КМ. Приводятся характеристики СП эвентуального противника. Оценивается изменение уязвимой площади СУ в задаче исследования живучести летательного аппарата при применении в его конструкции РЛ компрессора и воздуховода из КМ. Проводится сравнительный анализ результатов расчета живучести боевого ЛА из традиционных и КМ в элементах конструкции его СУ.
В заключении делаются общие выводы по работе.
Материалы дассертации изложены в 65-ти научно-методических работах, в том числе в двух монографиях «Композищюнные материалы в авиационных силовых установках» и «Методология применения и оценка эффективности использования композиционных материалов в авиационной технике», в журналах «Проблемы удара, разрушения и технологий» -1, «Контроль. Диагностика» -1, в научно-технических сборниках высших учебных заведений городов Москва, Тверь, Рыбинск, Самара, Ярославль, Люберцы -11, в учебном пособии «Особенности боевой живучести силовой установки с применением композиционных материалов», в отчетах о научно-исследовательских работах (НИР) -10 и депонировано в Центральном справочном информационном фонде - 8.
По результатам исследований получено одно авторское свидетельство и один патент на изобретение.
Основные положения работы докладывались и обсуждались:
1. На XII...XV научно-технических конференциях Даугавпилсского ВВАИУ ПВО имени Я.Фабрициуса, г. Даугавпилс, 1990... 1993 г.г.
На XVI...XXI межвузовских научно-технических конференциях Ставропольского ВАИУ ПВО имени маршала авиации Судца В.А., г. Ставрополь, 1994... 1999 г.г.
На семинарах, посвященных проблемам боевой живучести, проводимых ВВИА имени Н.Е.Жуковского, г. Москва, 1990...1998 г.г.
На VII межотраслевой конференции «Опыт и перспективы применения композиционных материалов в машиностроении», г. Куйбышев, 1990 г.
На научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации авиационной техники», г. Люберцы, 1990 г.
На межвузовской научно-методической конференции, г. Ярославль, 1997 г.
На выездной сессии проблемного Совета «Машиностроение», г. Рыбинск, 1999 г.
Результаты работы реализованы в организациях:
В АООТ Поволжский НИИ материалов и технологий авиационных двигателей при оценке возможности применения композиционных материалов в конструкции перспективных силовых установок.
В ВПК МАЛО при обосновании технических требований на создание новых образцов авиационной техники.
В Ставропольском филиале ВАТУ при выполнении НИР, в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании.
Автор приносит глубокую благодарность научным консультантам доктору технических наук, профессору Богомолову Евгению Николаевичу и доктору технических наук, профессору Шестакову Александру Сергеевичу, а также всему коллективу кафедры теории и конструкции авиационных двигателей филиала ВАТУ, где выполнялась работа, за советы, внимание и помощь.
Место композиционных материалов в истории развития авиастроения и двигателестроения
Нет ничего удивительного в том, что в наше сложное для специалистов время, которое характеризуется бурным развитием отраслей с принципиально новой технологией, экономические рычаги в исследованиях стали существенно более сильными, нежели это было ранее. Поэтому изобретения новых конструкционных материалов имеют большое практическое значение.
Потребность в материалах с хорошими механическими свойствами при повышенных рабочих температурах или тяжелых условиях эксплуатации делает необходимыми интенсивные исследования с целью разработки новых материалов с улучшенными свойствами.
Первоначально поиски наилучшего материала велись лишь среди уже известных материалов. Однако в настоящее время можно целенаправленно конструировать материалы.
Одной из сравнительно молодых наук, занимающихся изучением свойств материалов в целом, а не их отдельных химических и физических свойств, и инженерных аспектов применения, является материаловедение. Значение этой новой науки определяется тем, что развитие техники сдерживается, в частности, вследствие недостаточной прочности материалов. В материаловедении изучаются закономерности поведения материалов, на основании которых можно производить материалы с заданными свойствами. Известно, что не только металлы обладают высокой прочностью.
Повысить прочность материалов можно различными способами, одним из которых является введение в их состав более прочных, чем матрица, волокон или других упрочняющих элементов. Природным материалом, упрочненным таким образом, счіггается древесина. Еще в древние времена пользовались этим способом при изготовлении кирпичей из ила и соломы, добавляя конский волос в штукатурку, нитки в гипс. Однако следующий шаг в этом направлении был сделан лишь в нашем веке, когда были изобретены железобетон, резиновые шины с кордом и, наконец, армированные стекловолокном пластмассы /3/.
Существенный прогресс в области КМ был достигнут в начале 40-х годов, когда были созданы первые высокопрочные композиты.
Еще перед второй мировой войной армированные пластики были способны конкурировать с другими конструкционными материалами. В 1941 году в США был подписан первый правительственный контракт на создание деталей из прочесанного хлопкового волокна, пропитанного фенольной смолой .
Появление в последние годы новых армирующих наполнителей -непрерывных высокомодульных и высокопрочных волокон открыло широкую перспективу создания КМ с уникальными свойствами - низкой плотностью и высокой прочностью. Мы являемся свидетелями того, как идею упрочнения волокнами успешно реализуют и для металлических матриц.
Развитие промышленности, выпускающей КМ, привело к тому, что сейчас не существует области техники, где не применялись бы эти материалы. Они используются при создании судов и автомобилей, при строительстве жилья и в авиастроении.
С самого начала ЛА потребовал использования пластиков для своего создания. Крылья наиболее раннего летательного аппарата были обтянуты тканью, пропитанной нитроцеллюлозой, а фанеру, проклеенную фенольными смолами, использовали для конструкционных деталей. Творение братьев Райт, поднятое в воздух в 1903 году, представляло собой набор фанеры, проволоки и ткани. Этот факт рассматривается как шедевр аэронавтики и большой шаг в развитии авиационных материалов. Сегодня конструкция братьев Райт считается примитивной. Масса конструкции этого пионера самолетостроения составляла приблизительно 200 кг. Для сравнения, построенный в 1968 году фирмой «Локхид» один из самых больших в мире самолет «Галакси С-5А" имеет массу 144 тонны. Фанера и ткань оставались основными строительными материалами летательных средств примерно в течение 20 лет после первого полета братьев Райт. И хотя преимущества в технологии использования этих материалов были минимальные, казалось, что разработчики ЛА сопротивлялись использованию новых материалов.
Самолет «Вега» фирмы «Локхид», разработанный в 1923 году, был одним из первых удачных отходов от летательных средств, покрытых тканью. Его конструкция была создана целиком из фанеры с использованием процесса формования под давлением для изготовления поперечно согнутых покрывающих панелей.
Краткие сведения о композиционных материалах и их компонентах
Ответственность и сложность задач, решаемых с помощью современных летательных аппаратов, жесткие условия их эксплуатации и все возрастающие требования по улучшению их основных характеристик приводят к необходимости разработки и применения новых конструкционных материалов, которые превосходят ТМ по своим прочностным и упругим свойствам. Многочисленные исследования в этой области свидетельствуют о том, что наибольшего прогресса при разработке новых конструкционных материалов следует ожидать на пути создания КМ на основе полимерных и металлических матриц со стеклянными, органическими, борными и углеродными волокнами /25/.
среду, существует Создание КМ стало объектом особого внимания только в последние годы, хотя идея использования двух и более исходных материалов в качестве компонентов, образующих композиционную с тех пор, как люди стали иметь дело с материалами. С самого начала цель создания КМ заключалась в том, чтобы получить комбинацию свойств, которые не присущи компонентам материала в отдельности.
В настоящее время не существует общепринятого определения композиционного материала. Это объясняется тем, что любой материал, который не является чистым веществом и содержит более одного компонента, можно считать композиционным. Поэтому необходимо строгое и точное определение КМ для разграничения его от других, которые представляют собой гетерогенные смеси материалов.
Композиционными называются материалы, состоящие из двух или более компонентов (отдельных волокон или других армирующих составляющих и связывающей их матрицы) и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств их составляющих компонентов. Компоненты композитов не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга. Они должны быть хорошо совместимы. Свойства композиционного материала нельзя определить только по свойствам компонентов без учета их взаимодействия/2/.
В широком смысле слова, понятие КМ включает как природные материалы, например, древесина, так и искусственные или синтезированные композиты /13/. В узком смысле слова, КМ называют не встречающиеся в природе материалы, обладающие совокупностью признаков /26/: наличие в материале двух или более компонентов, существенно различающихся по своему составу, геометрической форме, свойствам и разграниченных явной поверхностью раздела; заранее известное или запроектированное сочетание компонентов и их распределение; наличие существенного влияния на свойства КМ каждого из компонентов; наличие свойств, которыми не обладают компоненты КМ, взятые в отдельности; однородность состава и структуры в макромасштабе.
Последний признак позволяет исключить из класса КМ биметаллы, детали с покрытиями, готовые изделия и т.п., которые являются скорее конструкциями, чем материалами.
Чаше всего композиты классифицируются по геометрии, расположению (схеме армирования) и природе компонентов.
В большинстве случаев компоненты композиции различны по геометрическому признаку. Один из них, обладающий непрерьшностью по всему объему, является матрицей, другой - прерывный, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим.
Матричными компонентами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества
Армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.
По геометрии компонентов КМ можно разделить натри основные группы: с нульмерным армирующим компонентом, когда все размеры частиц армирующего компонента намного меньше (примерно на порядок) размеров элементарного объема КМ - антифрикционные металлические сплавы с графитным порошком; с одномерным армирующим компонентом, имеющим один из размеров, соизмеримый с размером элементарного объема КМ - композит, армированный волокнами; с двумерным армирующим компонентом, два размера «частиц» которого соизмеримы с размерами элементарного объема КМ - слоистый композит, армированный фольгами.
В случае наличия в КМ нескольких компонентов различных размеров или природы, такие композиты можно назвать полиармированными.
По расположению компонентов КМ можно разделить на следующие три группы: с одноосным расположением, когда армирующие компоненты расположены в матрице параллельными цепочками; с двухосным (плоскостным) расположением, когда армирующие компоненты расположены в матрице параллельными друг другу слоями; с трехосным расположением, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направления в матрице.
Кроме того, в зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсноупрочненные и волокнистые /17/, которые отличаются структурой и механизмами образования высокой прочности.
Дисперсноупрочненные КМ представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы другого вещества. При нагружении таких материалов всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц второй фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.
Научное прогнозирование направлений развития авиационной техники
Прогноз - это суждение о возможности состояния какого-либо объекта в будущий момент времени.
Прогнозирование - процесс разработки прогнозов, то есть попытка определить ход событий в будущем по информации в прошлом.
Объектами прогнозирования могут быть предметы, процессы и явления. В зависимости от вида объекта различают прогнозы развития науки и техники, хода и исхода применения техники, политических, экономических и экологиче-ских процессов, погодных и социальных явлений и т.п.
Среди множества видов прогнозов особое место занимают научно-технические прогнозы, поскольку техника как орудие гражданского и военного производства в значительной степени определяет благосостояние людей и эффективность Вооруженных Сил. Слово «научное» подчеркивает два обстоятельства: во-первых, прогнозирование производится научными методами; во-вторых, при прогнозировании используются результаты тех научных направлений, которые связаны с применением и созданием техники.
Научно-техническое прогнозирование можно разделить на два вида: прогнозирование поведения объекта; прогнозирование развития объекта/51/.
В дальнейшем нас будут больше интересовать вопросы прогнозирования развития техники, которые можно разбить на три группы: имеющая поисковый подход, то есть когда процесс развития науки и техники саморазвивающийся, подчиняется внутренним закономерностям и происходит по формуле: «что будет, если предположить...». Например, каким может быть перспективный ЛЛ, если в его конструкции применить композиционные материалы; имеющая целевой подход, который исходит из того, что развитие науки и техники определяется целью и происходит по формуле: «что надо для достижения цели». Например, каким должен быть истребитель, чтобы успешно противостоять авиации противника; имеющая смешанный подход с решающим значением целевого прогаозирования.
При прогнозировании развития техники большое значение имеет глубина прогнозирования, под которой понимается отрезок времени, в каждой точке которого или только в конкретной точке надо предсказать состояние объекта В зависимости от величины интервала прогнозирования различают 1521: краткосрочный прогноз - до 5 лет; среднесрочный прогноз - от 6 до 15 лет; долгосрочный прогноз - от 16 до 30 лет; сверхсрочный прогноз - свыше 30 лет.
Выбор интервала прогнозирования очень ответственная задача, но в любом случае, интервал должен быть не меньше времени, необходимого на разработку объекта.
Отметим, что приведенные сроки прогнозирования являются несколько условными, так как, например для авиационного ГТД при внедрении в его конструкцию новых материалов срок разработки может достигать 15 лет, а прогноз должен быть долгосрочным.
Одной из основных методологических проблем долгосрочного прогнозирования сложных систем является учет неопределенности условий применения как объективного свойства прогнозируемых процессов, поэтому в ходе прогнозирования необходимо предусмотреть такую защиту от всех аспектов неопределенности, чтобы полученные рекомендации оказались достаточно достоверными, а не перестраховочно дорогами.
Сама процедура прогнозирования должна включать следующие этапы: 1 этап - выбор типа прогнозируемого объекта; 2 этап - формулировка назначения, задач, условий и способов применения объекта; 3 этап - разработка альтернативных объектов, способных выполнять поставленные задачи; 4 этап - выбор и (или) разработка критериев оценки эффективности выполнения поставленных задач объектом; 5 этап - выбор из набора альтернативных вариантов наилучшего объекта
Общие положения методологии целесообразности применения композиционных материалов в авиационных конструкциях
К летательным аппаратам относят самолет, вертолет, крылатую ракету, бесшшотный разведчик и дистанционнопилотируемый аппарат. ЛА представляет собой взаимосвязанную совокупность различных систем, агрегатов и элементов (рис.22).
Под системой понимается множество закономерно расположенных и функционирующих подсистем со связями между ними.
Подсистема (агрегат, блок, узел) - это часть системы, представляющая собой соединение нескольких разнотипных устройств в единое целое и выполняющая определенные функции.
Элемент (деталь) - это составная часть какого-либо сложного целого, то есть системы или подсистемы. Здесь необходимо оговориться, что подсистема и элемент одной системы из-за иерархической структуры мира сами могут оказаться системой со своими элементами /60,61/.
Сложной системе, чем несомненно является ЛА, характерно наличие хотя бы одной подсистемы, поведению которой присущ акт решения. Следовательно, если ЛА является сложной системой, то вопрос исследования эффективности применения КМ в его конструкции можно отнести к исследованию сложных систем. Поскольку эксплуатационные и боевые повреждения носят случайный характер, то и функциональное состояние ЛА после эксплуатационных или боевых воздействий также будет случайным.
В качестве показателя функционирования сложной системы обычно используется числовая мера- эффективность, которая характеризует степень приспособленности системы к выполнению тех или иных задач. Как правило, показателем эффективности является функционал или совокупность функционалов. Так как работа сложной системы происходит в условиях воздействия случайных факторов, значения функционалов тоже будут случайными величинами, которые задаются законами распределения или их числовыми характеристиками - математическим ожиданием и средним квадратичным отклонением или дисперсией.
Существуют два пути определения показателей эффективности системы: натурный эксперимент и моделирование процесса функционирования на ЭВМ. Первый путь является длительным, дорогим и довольно сложным, особенно, если это касается вопросов живучести, где воспроизвести натурные условия практически невозможно. Второй путь менее трудоемкий и более эффективный, особенно на стадии проектирования системы.
Различают математическое и физическое моделирование. Физическое моделирование позволяет получить значительный выигрыш во времени и в стоимости по сравнению с натурным экспериментом. Однако область применения физического моделирования ограничена. Самыми широкими возможностями обладает математическое моделирование. Оно предполагает разработку математической модели реальной системы, которая является абстрактной и формально описывает объекты, изучение которых возможно математическими методами.
Математическая модель реальной системы представляет собой совокупность соотношений (формул, уравнений, логических условий и т.д.), которые определяют характеристики состояния системы в зависимости от ее параметров, начальных условий и условий внешних воздействий. При моделировании необходимо: во-первых, определить набор характеристик, которые однозначно описывают состояние системы; во-вторых, выделить сравнительно небольшое количество параметров, отражающих физику исследуемых процессов; в-третьих, выбрать совокупность начальных условий.
Изучение сложного комплекса вопросов, таких как структура всей системы, взаимосвязь между ее элементами, взаимосвязь элементов системы с внешней средой и так далее, может осуществляться только в рамках комплексного подхода к изучению свойств реальной системы.
Основными принципами системного подхода являются: структурный - предполагающий изучение внутренних связей и взаимодействия элементов системы как структуры. Особое значение имеет анализ устойчивости структуры при изменении характеристик элементов системы; компонентный - отражает выделение таких основных элементов, взаимодействие которых обеспечивает новые качественные особенности системы в целом; функциональный - предусматривает изучение функциональных взаимосвязей как суммарного результата функционирования элементов, образующих систему; коммуникабельный - предусматривает изучение системы во взаимодействии с внешней средой и выделение основных воздействующих факторов; итегративный - предусматривающий выделение новых качеств, присущих системе в целом, а не ее отдельным элементам при изменении их функционирования в результате внешнего воздействия.
Как отмечалось выше, при изучении сложных систем широко используются методы математического моделирования. Среди этих методов особо следует выделить метод статистического моделирования /62/. Сущность данного метода заключается в синтезе некоторого моделирующего алгоритма, имитирующего поведение и взаимодействие сложной системы с учетом случайных возмущающих факторов. Имитация таких факторов осуществляется при помо щи случайных чисел, вырабатываемых ЭВМ в ходе проведения исследований.
