Автореферат (Статистическое обоснование прочностных характеристик композиционных материалов)

На правах рукописиАбдуллин Марат РавильевичСТАТИСТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИККОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВСпециальность 01.02.04«Механика деформируемого твердого тела»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2015Работа выполнена в институте машиноведения им. А.А. БлагонравоваРоссийской академии наук.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Березин АлександрВасильевич.Официальные оппоненты:Аношкин Александр Николаевич,доктор технических наук, профессор,профессор кафедры механикикомпозиционных материалов иконструкций Пермского национальногоисследовательского политехническогоуниверситета;Трунин Юрий Петрович, кандидаттехнических наук, старший научныйсотрудник, ведущий научный сотрудникЦентрального аэрогидродинамическогоинститута имени профессораН. Е.

Жуковского.Ведущая организация - НИИ механики Московского государственногоуниверситета имени M.В. Ломоносова.Защита диссертации состоится 20 мая 2015 г. в 1400 на заседаниидиссертационного совета Д212.125.05 при Московском авиационноминституте (национальном исследовательском университете) (МАИ) поадресу: 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке«Московского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета)» (МАИ) и на сайте:https://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=49642Автореферат разослан "24" марта 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета к.ф.-м.н.Федотенков Г.В.2Общая характеристика работыДиссертация посвящена разработке и внедрению программногообеспечениядляполучениярасчетныххарактеристикматериаловиспользуемых в авиационной технике.Актуальность темы диссертацииКонструктивные элементы из композиционных материалов широкоиспользуются не только в авиации, но и в судостроении, различных областяхмашиностроения, строительстве.

Композиционные материалы (КМ) внастоящее время являются наиболее перспективными материалами, ибообладают высокими удельными механическими характеристиками. Этопозволяет более широко использовать КМ в силовых элементах самогоширокого назначения. Одним из основных условий при определениипараметров таких конструкций является требование минимума массы привыполнениинормпрочности,необходимойжесткости,надежности,обеспечения необходимых величин механических характеристик во времяэксплуатации агрегата и другие.Использование КМ для изготовления конкретных конструкций из КМне может быть осуществлено без необходимых прочностных расчетов.Основным руководящим документом при проектировании воздушногосудна являются авиационные правила (АП-25).

В пункте 25.613 данных нормсказано:а). Прочностные характеристики материалов должны определяться наосновании достаточного количества испытаний с тем, чтобы расчетныезначения можно было устанавливать на основе статистики.b). Расчетные значения следует выбирать таким образом, чтобы уменьшитьвероятностьразрушенийконструкцийиз-занепостоянствасвойствматериала. Соответственно данному параграфу должно быть показано наоснове выбора расчетных значений, которые обеспечивают прочностьматериала со следующей вероятностью:31). 99% - с 95% - ным доверительным интервалом, когда приложенныенагрузки передаются через единичный элемент агрегата, разрушениекоторого приводит к потере конструктивной целостности агрегата (базисА).2). 90% - с 95% - ным доверительным интервалом для статическинеопределимой конструкции, в которой разрушение любого отдельногоэлемента приводит к тому, что приложенные нагрузки безопаснораспределяются по другим несущим элементам (базис В).с).

Влияние температуры на допустимые напряжения, применяемые прирасчетеответственныхэлементовилиузловконструкции,должноучитываться, если значительный тепловой эффект имеет место принормальных эксплуатационных условиях.d). Прочность, проектирование и технология конструкции должны свести кминимуму вероятность опасного усталостного разрушения, особенно вместах концентрации напряжений.е). Более высокие расчетные значения могут быть использованы, еслипроизводится "дополнительный отбор" материала, при котором образецкаждого отдельного полуфабриката подвергается испытаниям перед егоиспользованием, чтобы убедиться, что его фактическая прочность равна иливыше расчетной.Для удовлетворения данных требований применяются методикирасчета, позволяющие определить расчетные характеристики прочностныхсвойств материалов.

Для уточнения данной методики и применения её вразных областях выполнена данная работа.Диссертация основана на работах Вейбулла В., Эпштейна Б., Цая С.В.,Розена Б.В., Химмельблау Д., Гнеденко Б.В., Колмогорова А.Н., СтепноваМ.Н., Березина А.В и др.4Цель диссертационной работы1). Автоматизировать методики статистического анализа выборок, помеханическимсвойствамматериалов,дляразличныхвариантовраспределений.2). Проанализировать имеющиеся данные по результатам испытанийобразцов-свидетелей изготовленных из композиционных материалов.3). Статистически проанализировать результаты испытаний на статическуютрещиностойкость и сравнить их с композиционными материалами.4). Применить статистические методики для анализа прочностных свойств отраспределения дефектов в металлах, на примере сплава ВТ-5.Научная новизна1).

Проведен анализ результатов испытаний композитных материаловиспользуемыхвавиационныхпараметров распределенийдляконструкциях.различныхВыясненывариантовзависимостиукладки,видаиспытаний, наполнителя и связующего. Применены методики расчетабазисныхзначенийхарактеристикмеханическойпрочностидлякомпозиционных материалов.2). Получены значения параметра формы распределения Вейбулла дляразличных вариантов укладки. Параметр формы для различных вариантовукладки с увеличение выборки приближается к 10.3).Проведеносравнениевероятностныхраспределенийдлякомпозиционных и металлических материалов.4). Проведен теоретический анализ распределений дефектов вматериале ВТ-5.

С помощью методики расчета базисных значений полученырасчетные значения прочности при различных вариантах распределенийдефектов.5ДостоверностьДанная работа опробована на экспериментальном материале ОАО«Туполев», наработанном на серийных машинах Ту-204, Ту-214 и Ту-334.Практическая значимость и реализация результатов работы.При конструировании любых самолетных конструкций очень важенвопрос о весовой эффективности агрегатов, их прочности и надежности. Дляобеспечения этих 3-х важных составляющих безопасности требуетсястатистическое обоснование расчетных характеристик.

Для получениястатистически обоснованных расчетных характеристик материалов, быласоздана база данных со встроенными программами определения базисныхзначений материалов.Апробация результатов диссертации. Общие результаты работыдокладывались на следующих научных конференциях: Научно-техническаяконференция «Материалы и технологии для авиационно-космическойтехники – 2005» (г. Москва ФГУП «ВИАМ» 2005 г.), 4-я международнаяконференция – 2005 «Авиация и космонавтика – 2005» (г. Москва 2005 г.),всероссийская юбилейная научно-техническая конференция посвященная 70летию со дня основания СибНИА (г.

Новосибирск 2011 г.), международнаяконференция "Прогнозирование прочности металлических материалов" (г.Белград 2005 г.) Результаты работы докладывались на семинарах в институтемашиноведения им. А.А. Благонравова РАН и в институте механики МГУ.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав,выводов и списка использованных источников. Общий объем диссертации 90страницы, содержащий в себе 18 иллюстрации и список использованныхисточников из 73 наименований.6Краткое содержание работы.Вовведенииобоснованаактуальностьтемыдиссертации,сформулированы цели и методы работы, отмечена новизна и практическоезначение работы, даны сведения о публикациях.В результате работ, выполненных в предыдущие десятилетия научноисследовательскими институтами ЦАГИ, ВИАМ, НИАТ и др. а такжеконструкторскими бюро и заводами авиапромышленности, композиционныематериалы (КМ) используются во всех отечественных самолетах ивертолетах последнего поколения: Ту-204 (см.

рис.1), Ту-334, Ил-96, Ил-114,Ка-50, Ан-70, Ан-148, RRJ-95 и др. Главным образом они применяются приизготовлении органов управления и агрегатов механизации крыла иоперения,лопастей,воздухозаборниковобтекателей,икапотовстворок,двигательныхатакжеконструкцииустановок.Успешноэксплуатируются самые крупногабаритные изделия из КМ в отечественномавиастроении - воздухозаборник центрального двигателя самолета Як-42длиной 7,5 м и створки грузового люка Ан-124 длиной 12 м, оба изделиясотовой конструкции.Потенциальный объем применения КМ в планере пассажирскихсамолетов после 2020 г.

ожидается на отметке 60-70% при снижении массыкомпозитной части конструкции и ее стоимости на 20-25% по сравнению сметаллической, изготовленной на современном уровне. В то же времяпрогресс в области металлических конструкций по указанным показателямпрогнозируется на уровне не выше 10%. По оценкам экспертов развитиекомпозитных технологий наряду с прогрессом в двигателестроении и ваэродинамике внесет наибольший вклад в повышение летно-технических,экономических и эксплуатационных характеристик летательных аппаратовбудущего.7Рис. 1. Схема применения пластиков в конструкции самолета Ту-204.Впервойглавепредоставленыметодикирасчетабазисныххарактеристик материалов.Впроцессесерийногопроизводстванеобходимосистематическипроверять механические свойства применяемых материалов. Этим самымобеспечивается выполнение двух задач:- возможностьподтвержденияикорректировкихарактеристик,принятых при проектировании;- надежный контроль за стабильностью производства.Такой контроль в серийном производстве может быть обеспечен толькопри наличии достаточной статистики.Так как закон распределения характеристик прочности заранеенеизвестен для описания полученных выборок, после испытаний образцовиспользуются несколько видов распределений, наиболее часто используются8параметрические распределения, как-то двухпараметрический Вейбулл,нормальное или логнормальное распределение.