Влияющие на решения конструктора.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

 

Введение. 3

Свойства отечественных алюминиевых сплавов Д16 и В95, применяемых в самолётостроении. 6

Анализ свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ). 12

О коэффициенте безопасности конструкций из композиционных материалов 19

О сертификации. 22

Эксплуатационная живучесть элементов конструкции летательного аппарата, выполненных из композиционных материалов. 23

Коррозионная стойкость композиционных материалов. 28

Выносливость Д16, В95 и композиционного материала КМУ- 4Э. 29

Усталостные испытания конструкций, работающих на поперечный изгиб от распределённой нагрузки. 45

Усталостные испытания конструкции соединения при помощи четвертьоборотного силового замка. 48

Концентрация напряжений. 50

Особенности технологии. 55

Виды разрушений. 63

Виды конструкций и законцовок. 65

15. Пример оформления чертежей. 68

Образование отверстий под крепёжные элементы методом раздвижки волокон.68

Разрешительное письмо. 69

Список литературы. 70

Введение.

Композиционные материалы (КМ), представляющие собой структуры, образованные сочетанием армирующих элементов и изотропного связующего, находят в настоящее время широкое применение в различных областях техники. Армирующие элементы в виде тонких волокон, жгутов, нитей или тканей определяют высокую прочность и жесткость материала, а связующее обеспечивает его монолитность и технологичность. Современные волокнистые полимерные композиционные материалы (ПКМ), армированные органическими, стеклянными, углеродными, борными или гибридными (ГКМ) волокнами на основе полимерного связующего обладают удельной прочностью и удельной жесткостью значительно превышающими аналогичные характеристики для стали, алюминиевых и титановых сплавов.

Эффективность применения КМ в силовых конструкциях определяется степенью совершенства специфических методов расчета, проектирования и технологией изготовления изделий. Характерной особенностью рассматриваемых материалов, отличающих их от традиционных металлических сплавов, является то, что они, как правило, образуются одновременно с изготовлением конструкции. При этом их механические характеристики, обуславливаемые схемой расположения армирующих элементов, могут изменяться в широких пределах, что позволяет:

1.Получать конструкции с направленной анизотропией механических свойств, соответствующей распределению действующих нагрузок;

2.Минимизировать или максимизировать целевую функцию по массе, стоимости, плотности (для ГКМ), удельной прочности и удельной жесткости при определенных ограничениях.

Таким образом, проектирование конструкции из КМ, кроме традиционного формирования ее геометрических параметров, предусматривает:

1.Определение рациональной структуры материала, т. e. числа и порядка чередования слоев, углов ориентации слоев по отношению к направлению нагрузки или нормальных и касательных напряжений, действующих одновременно;

2.Определение вида армирующих элементов и их относительного содержания в композиции (для ГКМ);

3.Определение и разработку оптимального технологического процесса, позволяющего получать стабильные характеристики как по материалу, так и по несущей способности конструкции;

4.Уделение особого внимания на правильный выбор типа конструкции (конструктивно-силовой схемы), позволяющий максимально использовать анизотропные свойства ПКМ, так как ошибка в выборе типа конструкции может привести к недостаточной весовой эффективности, которая является одним из основных факторов, дающим основание конструктору применять дорогой КМ в качестве конструкционного материала;

 

5.Решение вопросов:

· при конструировании и изготовлении разъемных и неразъемных стыков;

· обеспечения эксплуатационной надежности и живучести изделия;

· проектирования и изготовления конструкций с вырезами и концентраторами напряжений;

· контролепригодности, ремонтопригодности изделия и методам ремонта.

При этом эффективность методов проектирования в значительной мере зависит от:

1.Степени соответствия формы, назначения и условий эксплуатации изделия возможностям КМ;

2.Соответствия конструкции технологическим возможностям, т. е. возможностям технологического процесса и технологического оборудования (существующего и перспективного) и соответствия свойств КМ этим процессам;

3.Стабильности прочностных характеристик элементов конструкции, так как большое рассеивание прочностных характеристик требует при создании конструкции повышать коэффициент безопасности, что приводит к снижению эффективности и качества изделия, увеличению его массы, а, следовательно, и стоимости.

С целью определения экономической эффективности применения КМ по программе NASA, ВВС, ВМС и ряда фирм США (37) были проведены исследования по оценке применимости различных технологических достижений, обеспечивающих повышение весовой отдачи конструкции. В частности фирма Boeing провела системные исследования по оценке эффективности применения графито-эпоксидных КМ в конструкции транспортных самолетов будущего поколения со сроком ввода их в эксплуатацию в период 1995-2000 годов. Процесс системных исследований включал этапы: выбора материалов, стоимости материалов, определения весовой отдачи, экономическую оценку. Коэффициенты эффективности были определены как частное от деления соответствующих показателей конструкции, изготовленных из КМ к показателям конструкции, изготовленной из алюминиевых сплавов.

Например, для крыла с фиксированной геометрией коэффициенты эффективности:

по весу К^G = 0,717; по стоимости К^с = 3,4; по трудоемкости К^т = 1,08.

К^с и К^т были определены из расчета на единицу веса конструкции. При расчете К^с были приняты цены: для алюминиевых сплавов: 9,9 долларов за килограмм (для листов) и 12,2 долларов за килограмм (для профилей); для КМ- 66 долларов за килограмм.

Несмотря на то, что К^с >> 1 и К^т > 1, эффективность изделия в целом определяется коэффициентом К^G < 1.

По оценке фирмы Boeing, при применении КМ в целом на 80%: фюзеляж-31%, оперение-81%, мотогондолы-34%, шасси-23%) общее снижение веса конструкции самолета составит 28% что вызывает “ каскадный “ эффект: снижение максимального взлетного веса самолета из КМ на 15% →снижение веса топлива на 16% → уменьшение тяги двигателей на 16,5% → уменьшение эксплуатационных расходов на 17% → уменьшение первоначальной стоимости на 3%.

Как было сказано выше, процесс проектирования конструкций из КМ является процессом комплексным, объединяющим творчество конструктора и технолога, возможности и перспективу развития эффективных технологических процессов и высокопроизводительного технологического оборудования, контроль качества изделий в процессе изготовления и при эксплуатации, обеспечение ремонтопригодности и живучести, разработку эффективного типа соединения. Но при обеспечении необходимых требований по технологичности, прочности, надежности, живучести и эксплуатационных требований характеристикой, определяющей эффективность применения КМ, является снижение веса.

Справка: при снижении веса планера дальномагистрального пассажирского самолета на 1 килограмм, экономия расходов, связанных с закупкой авиационного топлива, за весь ресурс самолета (70 000 летных часов) составляет ~ 2000 долларов.

На эффективность применения КМ большое влияние оказывает выбор конструктивно- силовой схемы (КСС) конструкции,определяемый на основе анализа напряженного состояния элементов конструкции в каждом конкретном случае (особенно при комбинированном нагружении), анализа свойств КМ и соответствие этих свойств действующему напряженному состоянию рассматриваемых элементов. На основании многолетней практики проектирования конструкций из КМ можно сделать вывод о том, что нагруженное состояние элементов конструкции и зона стыка накладывают ограничения на применение определенного типа конструкции. Например, при действии на конструкцию одновременно нагрузок средней интенсивности нормальных напряжений q_σ и малых значений интенсивности касательных напряжений q_τ трехслойная конструкция является эффективной. Но при высоких значениях q_σ, и особенно q_τ, (при совместном их действии) трёхслойная конструкция не эффективна, так как в ней обшивка работает на все виды нагрузок одновременно. При этих условиях необходимо переходить на подкреплённый вид конструкции, который позволяет реализовать высокие характеристики КМ в каждом отдельном элементе (пояса лонжеронов, стрингеры и обшивка) и обеспечить живучесть без применения специальных мер, ограничивающих расространение трещин. Однако, последнее можно реализовать только в том случае, если будет решен вопрос с проектированием зоны стыка. В любом случае зона стыка играет существенную роль при выборе КСС.

Поэтому для оценки эффективности применения КМ в сотовой или подреплённой конструкции и для определения соответствия свойств КМ характеру распределения нагрузок (особенно при одновременном действии нормальных и касательных напряжений на определенный элемент конструкции) необходимо подробно проанализировать свойства ПКМ.

ПКМ, формируемый из однонаправленных лент, у которых есть основа и уток – материал резко анизотропный. Данные, которые обычно публикуются в справочниках, не отражают анизотропию такого композиционного материала. Эти данные относятся только к однонаправленному ПКМ в направлении вдоль основы волокна. На практике (в самолетостроении) нет таких конструкций, которые были бы изготовлены только из однонаправленного материала, так как такая конструкция склонна к расщеплению, потому что в направлении, перпендикулярном направлению основы (в направлении утка), КМ практически не имеет прочности. Очень большое значение при проектировании и изготовлении конструкций из КМ имеет правильный выбор и отработка технологии выполнения соединений. Применение обычных традиционных методов соединения (например, клепка ударом вообще недопустима для КМ) в условиях серийного производства может привести к браку, который вскроется при эксплуатации, а это повлечет за собой огромные экономические затраты,связанные с заменой агрегатов из КМ на металлические. Надо сказать со всей определенностью, что без соединения, отвечающего требованиям прочности и технологии, особенно в условиях серийного производства, нет конструкции. Поэтому необходимы комплексные исследования, направленные на разработку эффективного типа конструкции зоны соединения, на выбор и отработку технологического процесса, основанного на свойствах волокнистого КМ и обеспечивающего гарантированное качество изделия, на поиск и разработку новых соединений, которые соответствовали бы общему технологическому процессу изготовления конструкций из КМ и которые основывались бы на специфических особенностях КМ.