О коэффициенте безопасности конструкций из композиционных материалов

Проектирование и определение эффективности конструкций из КМ выдвигает задачу определения характеристик разброса ее прочностных свойств, требует внимательного изучения их стабильности, а также влияние эксплуатации на эти свойства с целью определения необходимого коэффициента безопасности (¦) при расчёте на прочность.

Для получения достоверных оценок характеристик распределения механических свойств КМ необходимо проводить статистический анализ в соответствии с . Методы, рассмотренные в указанной литературе, обеспечивают, при минимальных затратах, надёжное определение средних значений характеристик механических свойств и их дисперсий с требуемой точностью, а также экспериментальное обоснование функций распределения и оценки их параметров. Рассматриваются вопросы планирования исследований механических свойств материалов и элементов конструкций. Цель методов планирования и статистического анализа результатов механических испытаний – обеспечение, при минимальных объемах испытаний и материальных затрат, надежного, достоверного определения значений механических свойств, а также экспериментального обоснования выбора режимов технологического процесса изготовления конструкций из КМ и организации статистического контроля технологических процессов по механическим свойствам. Дана методика статистической обработки по определению количества образцов, обеспечивающего достоверную информацию о величине степени отклонения среднего значения с заданной относительной ошибкой и попадания её в доверительный интервал с заданной вероятностью. Таким образом, проведя статистическую обработку результатов испытаний образцов, можно получить значение коэффициента вариации, по которому определяется коэффициент безопасности.

Такой подход обусловлен следующими причинами:

1.Свойства конструкций из КМ в значительной степени зависят от технологии их изготовления;

2.Опыт изготовления и эксплуатации конструкций из КМ ещё недостаточен;

3.Недостаточно изучено влияние эксплуатационных условий на изменение свойств материалов в процессе их эксплуатации.

Эти трудности могут быть преодолены в отношении повышения надёжности путём введения строгого контроля качества изделий из КМ и сырья для их изготовления. Для оценки качества материала и технологического процесса изготовления необходимо изготавливать образцы – свидетели, которые подвергаются испытаниям. По результатам испытаний ограниченного числа образцов вводится поправка в соответствии с . Истинное значение коэффициента вариации определяется по формуле: ϑ = ϑ_n ´ , где ϑ_n – коэффициент вариации при испытании n штук образцов определяется в соответствии с , а Ƞ – поправочный коэффициент.

Коэффициент вариации характеризует разброс характеристик прочности конструкции. При нормальном логарифмическом законе распределения характеристик = , где S – средне –квадратичное отклонение, S = – дисперсия, = , где – характеристика го образца; n – число испытанных образцов, – cреднее значение какой – либо характеристики (σ, Е, и т. д.)

Зависимость поправочного коэффициента (Ƞ) от количества испытанных образцов (n),

n
Ƞ	1,5	1,43	1,38	1,33	1,26	1,21	1,12	1,00

Сравнивая Ƞ = ɬ (n) и АП – 25 (см. ниже), можно видеть, что они равны.

В представлены значения коэффициента безопасности (¦) в зависимости от числа образцов (n) и коэффициента вариации (ϑ).

Изменение коэффициента безопасности (¦) в зависимости от числа испытанных (n) образцов и коэффициента вариации (ϑ),

n ϑ
0,08	1,849	1,467	1,325
0,10	2,348	1,661	1,442
0,12	3,215	1,915	1,581

 

Вопросам определения коэффициента безопасности (¦) для конструкций из КМ посвящены работы . Стабильность прочностных характеристик или рассеивание характеризуется коэффициентом вариации ϑ. Для конструкционных металлических материалов и изделий из них принято, что ϑ= 7-8%, а коэффициент безопасности ¦=1,5 при вероятности разрушения = 0,0005. Такой же уровень вероятности разрушения должен быть и для изделий, изготовленных из композиционных материалов. В показана, принятая в США, зависимость коэффициента безопасности (¦) от числа испытанных образцов (n) и от коэффициента вариации (ϑ).

Изменение коэффициента безопасности (¦) в зависимости от числа испытанных (n) образцов и коэффициента вариации (ϑ),

n ϑ
0,08	1,850	1,470	1,300
0,10	2,700	1,650	1,400
0,12	3,500	1,800	1,600

Сравнивая данные и , можно видеть,что они практически одинаковы.

Основной вывод – необходимо испытывать большое количество образцов (при сертификации испытывают по 30 элементарных образцов, об этом сказано ниже).

Создавать авиационные конструкции из композиционных материалов необходимо в соответствии с требованиями документа – Авиационные правила. Часть 25. Нормы лётной годности самолётов транспортной категории (АП – 25), 1994г. Раздел D – проектирование и конструкция. Пункт 25.622 – Коэффициенты безопасности для конструкций из композиционных материалов, стр. 101. Ниже приводится содержание данного пункта:

Для силовых частей, узлов, деталей и элементов конструкции самолёта, выполненных из композиционных материалов, вводится дополнительный коэффициент безопасности ( ).

Если 100 % конструкций из композиционных материалов пооперационно и после окончательной сборки подвергаются визуальному, акустическому и ультразвуковому контролю, величина дополнительного коэффициента безопасности ( ) определяется в зависимости от разброса несущих свойств даны конструкций (ϑ_п), т.е. для композиционных материалов коэффициент безопасности = 1,5 · .

	0,08	0,10	0,15	0,20	0,25
	1,0	1,03	1,25	1,57	1,97

Примечание. Для промежуточных значений ϑ_п применяется линейная интерполяция между соседними значениями.

Коэффициент вариации (ϑ_п), характеризующий разброс несущих свойств конструкций из композиционных материалов, определяется по результатам статических испытаний ряда одинаковых конструкций рассматриваемого типа или конструкций аналогичных рассматриваемой, изготовленных по той же технологии и имеющих одинаковую с рассматриваемой конструкцией форму разрушения. При наличии ограниченного количества испытаний коэффициент вариации (ϑ_п) получается путём умножения выборочного, полученного статистической обработкой результатов испытаний, на коэффициент Ƞ, определяемый в зависимости от количества испытанных конструкций (n).

n
Ƞ	1,5	1,44	1,37	1,33	1,26	1,22	1,14	1,1	1,0

 

Для всей, представленной выше информации, определяющими являются требования АП- 25.

Основными направлениями для повышения стабильности механических характеристик изделий являются методы автоматической намотки (данным методом изготавливаются лонжероны лопастей вертолётов) и выкладки (для самолёта Boeing 787 фюзеляж изготавливается методом автоматической выкладки несколькими головками одновременно), метод протяжки профилей или фрагментов конструкций через фильеры – метод пултрузии (данным методом изготавливаются стеклопластиковые стержни для полимерных изоляторов и профиля для создания мостов), т. е. технологические процессы, исключающие субъективные факторы, отрицательно влияющие на стабильность характеристик.

О сертификации.

Для обеспечения безопасной эксплуатации изделий из КМ в течение всего ресурса проводится их сертификация. Без наличия сертификата ни одно изделие не будет установлено на самолет. Сертификации подвергаются: материалы, методики расчета, технология, агрегаты и производство. Для получения сертификата необходимо изготовить и испытать большое количество образцов. Формы образцов и методики их испытаний регламентируются определенными документами (например, Государственными стандартами: ГОСТ 25.601 – 80, Метод механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытаний плоских образцов на растяжение при нормальной (20⁰С), повышенной (до 180⁰С) и пониженной (- 60⁰С) и другими ГОСТами). После получения сертификата не разрешается менять материал, поставщиков материала, менять технологию или изготовителя продукции. В противном случае все необходимо повторить. Например, для получения сертификата на материалы необходимо провести статические испытания различных схем укладок слоёв при нормальной и повышенной температурах сухих и влагонасыщенных образцов. На каждый вид испытаний должны быть поставлены образцы, изготовленные из 6-ти партий материалов и по 5 образцов из каждой партии. Целью проведения всех экспериментальных работ является определение коэффициента вариации (ϑ) и коэффициента безопасности (¦). Полученные результаты используются при проектировании конструкции из КМ и при контроле в процессе изготовления.

В России сертификат типа только на гражданскую авиацию выдаётся АР МАКом. АР МАК – Авиационный регистр Межгосударственного авиационного комитета. В Европе – EASA (European Aviation Safety Agency –Европейское агенство по авиационной безопасности).