Диссертация (Изменение несущей способности авиационных конструкций из композиционных материалов в зависимости от силового воздействия)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»На правах рукописиЮРГЕНСОН СЕРГЕЙ АНДРЕЕВИЧИЗМЕНЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СИЛОВОГОВОЗДЕЙСТВИЯСпециальность 05.07.02.

Проектирование, конструкция и производство летательныхаппаратовДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:кандидат технических наук,старший научный сотрудникВасильев Сергей ЛеонидовичМосква 20161ОГЛАВЛЕНИЕВведение ………………………………………………………………….. 4Глава1. Анализ проектно-конструкторскихрешений присоздании конструкций из ПКМ и методов их подтверждения……. 141.1.Анализ особенности применения ПКМ в авиационныхконструкциях………………………………………………………… 141.2.Методы экспериментального определения свойств ПКМ..

211.3.Анализ внутренних дефектов и методов контроляструктуры композиционного материала…………………………... 271.4.Выводы по Главе 1………………………………………….. 40Глава 2. Выбор и обоснование количественных критериевоценки……………………………………………………………………..2.1.Типовыеметодыисследования42композиционныхматериалов методом ВРТ…………………………………………… 422.2.Контролируемыекритериииихвзаимосвязьсоструктурными изменениями в ПКМ………………………………..

462.2.1. Процедура обработки сигнала при использовании ВРТ….. 462.2.2. Элементытеорииматематическойстатистикидляобработки экспериментальных результатов………………………. 502.2.3. Обоснование и взаимосвязь количественных критериев иструктурной плотности материала. ………………………………2.3.Выводы по Главе 2………………………………………….5264Глава 3.

Описание методики по исследованию внутреннейструктуры авиационных конструкций………………………………. 663.1.Основные положения, лежащие в основе предлагаемойметодики……………………………………………………………... 663.2.Описаниеспециальногостендадляпроведенияисследования………………………………………………………… 743.3.Описание методики исследования…………………………. 9023.4.Выводы по главе 3…………………………………………..94Глава 4. Анализ экспериментального исследования образцов изПКМ………………………………………………………………………4.1.Описаниеисследуемыхобразцови96параметровсканирования………………………………………………………...964.2. Обработка и анализ результатов………………………………. 1014.3. Выводы по Главе 4……………………………………………… 107Заключение………………………………………………………………. 109Список сокращений……………………………………………………..112Список использованных источников………………………………… 113Приложения……………………………………………………………… 125П.1.

Копии актов о внедрении результатов исследования……….. 125П.2 Копия свидетельства о регистрации патента ………………… 1293ВВЕДЕНИЕВ настоящее время значительно выросла доля применения полимерныхкомпозиционных материалов (ПКМ) в авиационных конструкциях. Всовременных гражданских самолетах объем их использования составляетболее 50% [9], [61], [39], в том числе за счет их применения в особоответственных конструкциях, к которым предъявляются повышенныетребования в части подтверждения прочностных и эксплуатационныххарактеристик.

Преимуществами ПКМ перед традиционными материаламиявляются: возможность регулирования свойств материала в различныхнаправлениях; высокий процент использования материала; возможностьизготовления конструкций двойной кривизны; повышенная удельнаяжесткость и широкий комплекс тепло- и электрофизических свойств. Приизготовлении конструкций из ПКМ одновременно происходит формированиематериала, что позволяет рассматривать его как комплекс решений, вкоторыйвходятармирующийматериал,связующее,укладка,типтехнологического процесса и его параметры, а также конструктивныерешения. Характерной особенностью ПКМ, по сравнению с металлическимиматериалами,являетсяналичиевнутреннихдефектов,чтотребуетприменения неразрушающих методов контроля на большинстве этаповизготовления конструкции.

Для ПКМ также свойственно наличие высокогоразброса свойств при изготовлении (порядка 15-20%) и значительноевлияние типа технологического процесса и его параметров на несущуюспособность конструкции. Поэтому для подтверждения прочностных иэксплуатационных характеристик изделий из ПКМ используется большойобъем испытаний элементарных и конструктивно-подобных образцов, чтоувеличивает стоимость разработки.Выборуоптимальныхконструктивно-технологическихрешенийнаработан большой объем теоретических и экспериментальных данных,которые отражены в работах Батаева А.А.[43], Берлина Ал. Ал.[45],4Братухина А.Г.[52], Брызгалина Г.И.[54], Браутмана Л.[89], ВасильеваВ.В.[36,60], Воробья В.В.[64], Гайдачук В.Е.[106, 66], Дудченко А.А.[70],Карпова Я.С.[76], Молодцова Г.А.[84], Образцова И.Ф.[90], РезниченкоВ.И.[97], Сидоренко Ю.Н.[99], Сироткина О.С.[52, 100], Фитцера Э.[108] идр.

Разработка и исследование композиционных материалов на сегодняпродолжаетсявбольшинствеведущихнаучно-исследовательскихипроектных организациях. В Российской Федерации в период с 2013 по 2020гг. действует государственная программа «Развитие промышленности иповышение ее конкурентоспособности» подпрограммой которой является«Развитие производства композиционных материалов (композитов)» иизделий из них» в частности одним из целевых индикаторов являетсяразработкановыхтехнологическихрешений,развитиеармирующихработепонимаетсяматериалов и связующего.Поднесущейспособностьювнетолькоспособность конструкции выдерживать нагрузку, но и отсутствие развитиядефектов при силовом воздействии, что влияет на эксплуатационныехарактеристики и в том числе прочностные характеристики конструкции.Снижениематематическогообъемовииспытанийвозможноконечно-элементногопримоделированияиспользованииконструкций,базирующихся на работах Бартенева Г.М.[46], Васильева В.В.[59], ДудченкоА.А.[71], Лурье С.А.[71, 44], Михайлина Ю.А.[83], Победри Б.Е.[94, 93] и др.Здесь можно отметить недостаточную изученность физики развитияповреждений в ПКМ (особенно в части определения начала развитияповреждений) и необходимость верификации данных моделей, в связи созначительным отличием процессов разрушения и накопления поврежденийдля различных конструктивно-технологических решений.С целью повышения точности определения несущей способностиконструкций из ПКМ необходимо уточнение, расширение и обобщениевозможностей математического аппарата и методов экспериментального5исследования.

Одним из возможных путей исследования поведенияконструкции при внешних воздействиях является совмещение прочностныхиспытаний и применение методов неразрушающего контроля. Такое решениепозволяет получить значительный объем информации для анализа иопределить процессы изменения в материале при воздействии нагрузки илифакторов внешней среды. Исследования в этом направлении отражены вработах Ларина А.А. [80, 40], Makeev A. [31, 25], Richard H. [10], ШиловаА.И. [112], Ai Shigang [32] и др.Следует отметить, что для ПКМ структура материала значительновлияет на несущую способность конструкции. Это связано с наличиемдефектов, полученных как при изготовлении, так и при эксплуатации.Всеэтоопределилонаправлениедиссертационнойработы,посвященной разработке подхода и выбору критериев исследованияконструктивно-технологических параметров конструкций из ПКМ присиловом воздействии для повышения несущей способности.Цельюработыявляетсяповышениенесущейспособностиавиационных конструкций за счет оценки изменений структуры материалапри различных конструктивно-технологических решениях.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:1.

Провести анализ процессов проектирования и изготовленияконструкций из ПКМ.2.Проанализировать методы исследования внутренней структурыконструкций из ПКМ.3. Разработать количественные параметры оценки состояния структурыматериала, на основе выбранного метода неразрушающего контроля.4.

Разработать методику и техническое решение по исследованиюсостояния структуры материала конструкций из ПКМ при воздействиинагрузки.65. Провести апробацию предложенного решения и методики на основеэлементарных образцов из ПКМ.Объектом исследования являются авиационные конструкции изполимерного композиционного материала.Предметом исследования являются процессы разрушения материалаконструкции в зависимости от силового воздействия и конструктивнотехнологических параметров.Наиболее существенные новые научные результаты, полученныеавтором и выдвигаемые на защиту:••Количественные критерии, являющиеся дополнительнымпараметромоценкиконструктивно-технологическихрешенийипозволяющие анализировать процессы изменения структуры материала вавиационных конструкциях из ПКМ.•Методика оценки изменений несущей способности авиационныхконструкций посредством анализа поведения структуры материала взависимости от силового воздействия на основе графических моделейнакопления дефектов.•Графические модели изменения количественных критериев взависимостиот силовоговоздействияматериала,характеризующиеиприменяемыхструктурнуюкомпонентовплотностьэлементовавиационных конструкций.Научная новизна диссертационной работы заключается в разработкеновой методики оценки изменения несущей способности авиационныхконструкций из композиционных материалов при силовом воздействии.Предлагаемаяметодикахарактеристикиэксплуатационноеразвитияпозволяетполучитьвнутреннихсостояниедефектовконструкциипроектирования.7новыенаколичественныеипрогнозироватьраннихстадияхПрактическая ценность диссертационной работы.Результаты диссертационной работы могут быть использованы в ОКБпри принятии решения на начальных этапах разработки конструкции из ПКМв части выбора материала и отработки технологических процессовпроизводства.

Они позволяют проводить оценку поведения материала,уточнять существующие прочностные модели и количественно сравниватьсуществующие материалы и технологии с целью обоснования их выбора дляконкретного элемента конструкции. Также результаты работы могутиспользоваться в проведении научно-исследовательских и поисковыхработах в профильных НИИ.Реализация результатов работы.Результаты работы внедрены на АО «Камов» и АО «ММП им. В.В.Чернышева», что подтверждается соответствующими актами. Результатыработы также используются при проведении учебного процесса подисциплине«ТехнологияпроизводстваЛА»накафедре104«Технологическое проектирование и управление качеством» МАИ(НИУ).Методы исследования.Привыполнениидиссертационнойработыприменялисьстатистические методы исследования, исходные данные для которых былиполученыс использованием высокоточногометода неразрушающегоконтроля.Достоверностьприменениемпредприятийприполученныхвыполненииаэрокосмическойрезультатовобеспечиваетсянаучно-исследовательскихотрасли.Полученныеработихдлярезультатыкоррелируют с существующими моделями поведения ПКМ под нагрузкой ирезультатами, полученными в работах других авторов, опубликованных впечатных изданиях.8Апробация работы.Основные результаты работы были доложены на всероссийских имеждународных научно-технических и научно-практических конференциях,конгрессе, форуме и семинаре: V Общероссийская молодежная научнотехническая конференция «Молодежь, Техника, Космос», «Военмех» им.Д.Ф.