Диссертация (Изменение несущей способности авиационных конструкций из композиционных материалов в зависимости от силового воздействия), страница 2

Устинова 20-22 марта 2013; симпозиум с международным участием«Самолетостроение в России. Проблемы и перспективы», 2-5 июля 2012 г;Всероссийская конференция «Развитие инженерного образования в России»Санкт-Петербургский образовательный форум-2012, Санкт-Петербург, 28марта – 11 апреля 2012 г.; Седьмой международный аэрокосмическийконгресс IAC-2012, МГУ, 26 - 31 Августа, 2012 года; IV Международнаямолодежная научная конференция «Гражданская авиация: XXI век»,Ульяновск, 2012; Московская молодежная научно-практическая конференция«Инновации в авиации и космонавтике 2013», МАИ, 16-17.04.2013; 29thCongress of the International Council of the Aeronautical Sciences September 712,2014, St. Petersburg; X Международной конференции по Неравновеснымпроцессамвсоплахмеждународнаяиструяхконференция(NPNJ’2014),«ЖивучестьАлушта,и2014;2-аяконструкционноематериаловедение» 21-23 октября 2014 г.

ИМАШ РАН; Всероссийскаянаучнаяконференциясмеждународнымучастием«механикакомпозиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред»,посвященная 95-летию со дня рождения академика И.Ф. Образцова 15-17декабря2015г.ИПРИМРАН;XXVIМеждународнаяконференцияМатематическое и компьютерное моделирование в механике деформируемыхсред и конструкций, МКМ 2015 28 – 30 сентября 2015.Публикации.Полученные научные результаты опубликованы в 15 печатных работах,в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК. Результаты диссертации9использованы в 5 научно-технических отчетах.

В рамках исследованийполучен патент на полезную модель.Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоитиз введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, спискаиспользованных источников и приложений. Работа объемом 129 страниц,включает 64 рисунка и 7 таблиц.

Список использованных источниковсодержит 112 наименований.Во ведении дается обоснование актуальности темы диссертации,описанапроблематикапроизводстваипроектированияавиационныхконструкций из полимерных композиционных материалов, определены целии задачи исследования.В первой главе рассматриваются этапы развития применения ПКМ вавиационной отрасли, описаны достоинства и недостатки использованияПКМ в элементах планера. Приведено описание процедуры проектированияизделий из ПКМ, основанной на совместной отработке конструктивных итехнологическихрешений,экспериментальнойсотработки,учетомпринятыхпрочностногорешений.анализаБольшойиобъемпрочностных испытаний для авиационной конструкции из ПКМ необходим всвязи со значительным влиянием конструктивно-технологических решенийна выходные свойства изделия.

В тоже время отработка технологическогопроцессаивыборегооптимальныхпараметров,такжетребуетподтверждение экспериментальной оценкой. Большая часть этих испытанийпереносится на начальный этап проектирования (испытание элементарныхобразцов) для снижения рисков и трудоемкости на следующих этапахпроектирования.При рассмотрении методов неразрушающего контроля и дефектов вавиационных конструкциях из ПКМ сделан вывод о высокой трудоемкостисовременных методов исследования внутренней структуры, так как длякомпозиционныхматериаловсвойственно10наличиебольшогообъемавнутренних дефектов, значительно влияющих на прочность конечногоизделия.Этоприводиткнеобходимостииспользованияметодовнеразрушающего контроля (НК) на всех этапах изготовления конструкции ипри техническом обслуживании во время эксплуатации.качественныхкритериев,исследования,вычислительнойанализироватьсформированныхв качестве применяемогорентгеновскойструктурнуюметодатомографииплотностьдляНа основедиссертационногоНК выбран(ВРТ),материаламетодпозволяющийконструкциисобеспечением высокой точности проведения исследования.Вторая глава посвящена определению и обоснованию количественныхкритериев, применяемых при проведении исследования.

Рассмотренытрадиционные методы применения ВРТ при анализе и контроле изделий изПКМ, основанные на измерении отдельных дефектов.При описании метода ВРТ, обосновывается возможность примененияданного метода для количественной оценки состояния материала на основеалгоритмов, применяемых для реконструкции линейного коэффициентаослабления при плоском просвечивании объекта.В работе предложены критерии, в комплексе описывающие поведениеструктурной плотности композиционного материала. Под структурнойплотностью определено состояние материала в плоскости сканирования сучетом технологических и эксплуатационных дефектов. Данные критериибазируютсянапримененииметодовматематическойстатистикикраспределению линейного коэффициента ослабления, определяемому по 90%площади сечения, в контролируемых плоскостях сканирования.На основе проведенных исследований обосновываются погрешностидля данных критериев, составляющие 1-2%, и подтверждается точностьиспользования осреднённых значений ЛКО для определения плотности посравнению с радиометрическим методом контроля (±0,4%).

Приведенообоснование, на основе анализа экспериментальных данных, применения11осредненных критериев и их отклонений от базового сечения для контроляструктуры материала авиационных конструкций.В третьей главе приведены основные положения, лежащие в основеразрабатываемой методики. Рассмотрены механизмы накопления и развитияповреждений в ПКМ используемые при прогнозировании разрушенияметодами математического и конечно-элементного анализа.

Рассмотреныэлементымеханикиразрушения,связывающиеуровеньдефектоввконструкции и процесс ее разрушения. На основе анализа методовпрочностногорасчетаикритериевразрушения,сделанвыводонеобходимости верификации данных методов путем анализа конструкцииподнагрузкой,чтоможетзначительноувеличитьдостоверностьприменяемых расчетных моделей.Приведено описание и конструкция разработанного стенда длясоздания растягивающей нагрузки на элементарные образцы из ПКМ.Подтверждение точности используемого стенда при анализе напряженнодеформированного состояния конструкции, подтверждена предварительнымиисследованиями на металлических образцах.

На основе применения данногостенда и метода ВРТ сформирована методика проведения исследованияэлементарных образцов для определения поведения материала конструкциипод нагрузкой с использованием количественных критериев.В четвертой главе приводятся результаты применения предложеннойметодики для образцов из ПКМ с вариацией связующего и армирующегоматериала. Представлены графические модели, описывающие изменениеструктуры образцов по сравнению с базовым состоянием конструкции взависимостиотуровнястатическойнагрузки.Показано,чтоприиспользовании различных армирующих материалов и связующего, припостоянстведругихконструктивно-технологическихфакторовпредложенные критерии описывают процессы, сопровождающие нагружениеконструкции. В результате исследования получено, что состояние материала12под нагрузкой и после ее снятия носит различный характер, что не позволяетоднозначно использовать результаты контроля в ненагруженном состояниидля материалов со значительным накоплением повреждений в прочностныхрасчетах.Взаключениидиссертацииприведеныосновныеположениядиссертации, характеризующие ее научное содержание как разработкунового метода и критериев оценки состояния структуры материалаавиационных конструкций из ПКМ.13ГЛАВА 1.

АНАЛИЗ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙПРИ СОЗДАНИИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПКМ И МЕТОДОВ ИХПОДТВЕРЖДЕНИЯ1.1. Анализ особенности применения ПКМ в авиационныхконструкцияхНачало применения композиционных материалов в авиационнойпромышленности началось с 1940х годов. Один из самых ранних этаповприменения относится к самолету Spitfire, в конструкции которогоприменялся материал Gordon Aerolite (рис.1.), разработанный в 1936 году[29].Данныйматериалвключалвсебяфенольноесвязующееиориентированные льняные волокна, применяемые в качестве армирующихматериалов.

Дальнейшее развитие ПКМ в период 1940-1950х годов связано сприменением стеклопластиков в конструкциях радарных обтекателей.Рис.1. Элемент конструкции крыла самолета Spitfire, выполненный изматериала Gordon Aerolite [11]14Начиная с 1970х годов использование ПКМ в конструкциях самолетовсталоноситьдостаточномассовыйхарактер(восновномвслабонагруженных элементах планера (рис. 2)), определяемый развитиемугле- и боропластиков, обладающих достаточно высокими прочностнымихарактеристиками [89].Применение ПКМ в ряде конструкций приводит к значительномуснижению массы по сравнению с металлическим исполнением.

Элеронсотовойконструкциискомпозиционнымиобшивкамиобеспечиваетснижение массы на 20% и уменьшением количества деталей на 50% [9, 61]. Вконструкциях фюзеляжа и крыла композиционные элементы наиболеешироко начали внедряться на военных самолетах, для которых требованияснижения массы превалирует над стоимостными параметрами.Рис.2. Типовые элементы самолета с применением ПКМДальнейшее внедрение ПКМ в конструкцию планера проходилопоэтапно и сильно зависело от научно-исследовательских работ в этойобласти.

В работе [77] предлагается рассматривать развитие ПКМ в рамкахтрех этапов:151970-1980гг.–характеризуетсяразвитиемметодовпроектирования, технологии изготовления и проектирования изделий изПКМ, внедрением в военную авиацию в несущих конструкциях. Основныевопросы, которые решались на данном этапе были связаны повышениемпродолжительностижизненногоцикла,повышениюистабилизациихарактеристик материалов и конструкций. Началось применение ПКМ вконструкциях гражданских самолетов. Накапливался опыт длительнойэксплуатации и поведения конструкции из ПКМ при воздействии различныхвнешних факторов.1980-1990 гг.

– увеличение доли полимерных материалов вконструкциях самолетов военной авиации, начало широкого применения внесущих конструкциях гражданской авиации.1991-2000 гг. – широкое применение ПКМ в гражданскихсамолетах, в том числе в силовых конструкциях планера.На сегодняшний день можно выделить четвертый этап, которыйобусловлен увеличением доли композиционных материалов в гражданскихсамолетах до 50% от веса планера. [95] Если на предыдущих этапахосновными элементами, которые создавались из ПКМ были механизация,киль и не силовые конструкции, то на сегодняшний день к этим элементамдобавились высоконагруженные особоответственные части конструкций –крыло и фюзеляж (рис. 3), что стало результатом большого количестванаучно-исследовательских программ, в том числе по повышению физикохимических свойств волокна и матрицы.16Рис. 3. Доля ПКМ в современных гражданских самолетахНа рисунке 4 представлен график изменения доли ПКМ в массепланера самолетов гражданской и транспортной авиации.По прогнозам, приведенным на рисунках 5 и 6, в ближайшее времяпродолжится снижение стоимости сырья, что так же может положительноповлиять на рост применения КМ в аэрокосмических конструкциях.Одновременно с расширением доли использования композиционныхматериалов в силовых конструкциях гражданских самолетов увеличиваютсятребования по контролю и сертификационным испытаниям композиционныхматериалов.