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

Одной из задач, которая решается на современном этапе использования КМ в конструкции планера, помимо снижения веса, совершенствования технологии, методик расчета и проектирования, является накопление и изучение опыта эксплуатации композитных агрегатов. Начиная с 1976 года, в ВВС и ВМС США проводится регулярный инструментальный и визуальный контроль изделий из КМ в условиях эксплуатации с целью получения информации об их повреждаемости. Фирма Boeing (США) получила контракт от ВВС на сумму 4,8 млн.долл. на проведение исследований по определению стандартов на типовые дефекты и повреждения, допускаемые в конструкциях из КМ . При наличии таких стандартов будет упрощена задача оценки усталостной долговечности элементов конструкций с повреждениями типа трещин и расслоений. Эти данные позволят более точно и обоснованно установить сроки проведения регламентных работ и осмотров конструкций из КМ.

Контроль показал , что основная часть дефектов была вызвана ошибками при наземном техобслуживании и ударами камешками, кусочками бетона, вылетающими из-под колёс шасси при взлёте-посадке, ударами града и птиц. Некоторые агрегаты имели повреждения от удара молний. В приводится статистика ударов молний. По зарубежным данным каждый самолёт подвергается одному удару за 2500-2700 летных часов, а иногда и за 800 часов полёта, т. е. от 1 до 5 ударов в год. На территории бывшего СССР число ударов молнии в 1 самолёт за год в различных районах: Архангельск - 0,01; Прибалтика - 0,01; Чита - 0,017; Средняя Европейская часть СССР – 0,023; Ужгород – 0,036; Ереван – 0,048; Киев – 0,029. Приводятся зоны ударов молнии: 33% - в носовой обтекатель, 32% - в концы крыльев, 11% - в киль, 14% - в стабилизатор, 9% - в фюзеляж.

Защиту от молнии необходимо обеспечивать в соответствии с требованиями АП-25, пункт 25.581,стр. 95 и ПРИЛОЖЕНИЯ П25.581, стр.96.

Велика вероятность попадания самолета и под град. Выпадение града не является явлением столь уж редким. Даже для Латвии, для которой град не характерен, в среднем от 3 до 7 дней в году проходят грозы с градом . Выпадение града длится 15 – 25 минут. Он выпадает в теплое время года, преимущественно с апреля по ноябрь. В наиболее неблагоприятных случаях наблюдалось по 1-2 выпадения града в месяц, а в отдельных случаях и до 5-ти раз. В Риге, в среднем, из 10-ти случаев гроз одна сопровождается градом . Средние размеры градинок от 6- ти до 20-ти мм. . Град обычно проходит полосами шириной 10-15 км. и длиной до 1000км. . В была исследована живучесть улепластиковой обшивки при воздействии града. Было отмечено, что наиболее сильные повреждения получаются при энергии удара 90Дж, которая уменьшила прочность обшивки из КМУ-4Э с ориентацией укладки (0⁰,90⁰, ±45⁰) в 2-3 раза.

До настоящего времени эксплуатационные дефекты не приводили к разрушению, так как разрушающие напряжения для повреждённых конструкций выше, чем допускаемые эксплуатационные напряжения (так спроектированы конструкции, что очень низкие, т.е. конструкции перетяжелены). Перспектива широкого и эффективного применения КМ потребовала исследования влияния эксплуатационных дефектов на прочность КМ с целью учета его на этапе проектирования, а самое главное наметить пути и разработать рекомендации по повышению до такого уровня, когда применение КМ в качестве конструкционного материала будет эффективно с точки зрения снижения веса. Такие работы были проведены в .

Современные углепластики на эпоксидной матрице, являясь хрупкими материалами, поглощают ударную энергию не упруго и повреждаются при низком уровне энергии удара. Наиболее распространёнными, для агрегатов из КМ, в условиях эксплуатации являются ударные дефекты в виде пробоин, трещин, сколов, вмятин, расслоений, растрескиваний. В был проведён анализ возникновения ударного дефекта панели из КМУ при ударе шариком, имитирующем удар града или камня. В результате удара происходит развитие динамической волны изгиба материала в зоне контакта и происходит хрупкое разрушение КМ с дополнительными расслоениями и растрескиванием. Вид ударного дефекта в КМ и его размеры определяют целый ряд факторов: толщина обшивки, схема армирования КМ, размер, масса, скорость поражающего объекта. Размеры разрушения, охватывающие внутренние слои КМ, намного превосходят визуально обнаруживаемые повреждения. Поэтому необходимо проводить инструментальный контроль. Контроль КМ в 2 раза продолжительнее,чем контроль конструкций из металла. Если стоимость осмотров металлических конструкций составляет 9% от стоимости производства, то для КМ эта величина равна 15%, причём более 60% из неё составляет стоимость неразрушающего контроля.

Чувствительность КМ к дефектам при статическом нагружении является серьёзным препятствием для широкого применения его при создании силовых конструкций летательных аппаратов.

Уменьшение повреждаемости, размеров ударных дефектов и уменьшение их влияния на прочность конструкции связано с увеличением ударной вязкости КМ, для чего в предлагается к основным слоям углепластика добавлять слои органопластика или стеклопластика, которые имеют определённое преимущество с точки зрения предотвращения растрескивания и локализации дефекта (но не в ущерб статической прочности). Повысить живучесть можно или выбором допустимых или конструктивным исполнением как отдельных узлов, так и конструкции в целом, применяя стопперы. Различают стопперы низкомодульные и высокомодульные. Применение низкомодульных стопперов или “ смягчающей полосы “ позволяет создать зону низких напряжений с достаточной вязкостью разрушения. В качестве низкомодульных стопперов можно применить стеклоткани: Т- 25(ВМ) при работе конструкции на растяжение и Т-10-80 при работе конструкции на сжатие. Отличительной особенностью материалов, используемых в качестве “ смягчающей полосы “ является высокое значение коэффициента интенсивности напряжения в вершине трещины . Для Т- 25 (ВМ) 540 , а для Т – 10 -80 115 . При расстоянии между стопперами 2W = 100 мм и при ширине стоппера h^ст.= 30 мм применение “ смягчающей полосы “ позволяет увеличить до следующих величин:

При проектированию по критерию разрушения “ а “ (о критериях разрушения будет сказано ниже) – при сжатии = 21 , а при растяжении = 25 ; по критерию “ в “ - при сжатии = 22 , а при растяжении = 26 ; по критерию “ г “ - при сжатии =27 , а при растяжении = 32 .

Все указанные значения соответствуют для основного материала равном 50 – 200 . Для материалов КМУ-4Э, КМУ – 1ЛМ, КМУ – 3Л характеристики трещиностойкости для наиболее распространённых укладок равны: - при растяжении 70 – 150 , - при сжатии 100-220 при сдвиге - 50 - 90 Для материалов, применяемых за рубежом (для углепластиков), - при растяжении 125 – 175 (однонаправленная лента) и 80 - 120 (для ткани).

Из условий появления эксплуатационных дефектов размером 2L ³ 50мм., в конструкции, спроектированной без применения стопперов, увеличение 50 до 175 позволяет увеличить с 3,2 до 11 , а увеличение 250 - 300 позволяет увеличить до 15 – 19 . Анализ приведённых (полученных экспериментально) данных показал, что создание КМ с вязкостью разрушения в 1,5 – 3 раза превышающей свойства существующих материалов не устраняет необходимости применения стопперов трещин в конструкциях из КМ, целью которых является обеспечение живучести конструкции при увеличенных значениях (выше было сказано, что для эффективного, с точки зрения снижения веса, применения КМ эксплуатационные напряжения должны быть выше 14 , что обеспечить без стопперов невозможно).

Второе направление повышения живучести агрегатов из КМ – применение высокомодульных стопперов. В этом случае основной материал панели (обшивки) имеет низкий осевой модуль упругости и воспринимает только сдвиговые усилия (например, обшивка с укладкой ± 45⁰, свойства данной укладки были рассмотрены выше). Большая часть осевой нагрузки воспринимается высокомодульными стопперами. Перераспределение нагрузки от обшивки к высокомодульному стопперу приводит к снижению концентрации напряжения на кончике трещин, расположенной в обшивке и предотвращает её страгивание. Роль высокомодульных стопперов могут выполнять стрингеры, лонжероны, полки которых усилены однонаправленными слоями. Речь идёт о подкреплённой конструкции, у которой продольные элементы играют роль естественных стопперов. Ниже будет проведён анализ типов конструкций, спроектированных зарубежными фирмами по принципу обеспечения эксплуатационной живучести. Забегая вперёд, можно сказать, что подавляющее число агрегатов спроектированы по типу подкреплённой конструкции.

При проектировании элементов конструкции в качестве определяющего критерия живучести принимают размер повреждений, при которых для них должна сохраняться допустимая остаточная прочность. Этот критерий является расчётным. Для обшивок, выполненных из КМ, в качестве расчётных критериев эксплуатационной живучести на этапе проектирования могут быть рекомендованы допустимые размеры повреждения. Для КМ при определении дефекта необходимо учитывать размеры визуально обнаруживаемой области растрескивания матрицы, расслоения, разрыва волокон. В предлагаются следующие критерии эксплуатационной живучести

а) = 15 мм. – для дефектов, не могут быть выявлены на протяжении всего срока службы. Допускаемый размер - размер дефекта, наличие которого в конструкции на протяжении срока службы не должно приводить к её разрушению в процессе эксплуатации. Располагаемый размер - размер дефектов, которые могут появляться во время эксплуатации. Критерий «а» позволяет учесть влияние наиболее распространённых в эксплуатации дефектов размером 10 – 15 мм., вызывающих снижение прочности КМ на 60 65%.

б) 15мм. £ 2L £ 150 мм.- для дефектов, которые будут выявлены.

в) для безопасно повреждаемой обшивки со стопперами трещин:

- двухпролётная трещина, т.е. размером в 2 межстопперных расстояния (при 2W = 75 – 100мм., 170 -240 мм.).

г) ³ 250 – 300 мм. – для агрегатов, которые должны отвечать требованиям боевой живучести.

В зависимости от уровня эксплуатационных напряжений и величины характеристик трещиностойкости КМ надёжность может быть обеспечена по принципу “ безопасного повреждения “или по принципу “допустимого повреждения “, которое может появиться в эксплуатации и которое должно быть выявлено до превращения его в критическое, т.е. пока оно находится в допустимых пределах. Необходим систематический визуальный и инструментальный контроль. Конструкция разбивается на зоны так, чтобы дефекты получали своё развитие только в пределах этих зон. Это достигается формированием стопперов трещин.

Агрегаты из КМ, эксплуатирующиеся по принципу “ допустимого повреждения “ .

1. Горизонтальный стабилизатор самолёта F – 111. Тип конструкции – трёхслойная, заполнитель – алюминиевые соты, обшивка – боропластик с укладкой: 0⁰- 60 %, ± 45⁰- 40%. Уменьшение веса на 26%. = 52 210

2. Киль самолёта В – 1. Тип конструкции – обшивка, подкреплённая углепластиковыми лонжеронами со ==стенкой в виде синусоидального гофра. Обшивка – углепластик (0⁰ – 36%, ±45⁰ – 56%, 90⁰- 8%). Нагруженность: 0,024 ; = 0, 16 , т. е. сдвиг составляет 16% от нормального усилия. Уменьшение веса на 15%. = 10 170 .

3. Стабилизатор самолёта В – 737. Тип конструкции – обшивка, подкреплённая стрингерами (шаг ~ 100 мм.) Обшивка – углепластик 0⁰ , 90⁰, ± 45⁰ . Уменьшение веса на 22%.

Агрегаты из КМ, эксплуатирующиеся по принципу “ безопасного повреждения “ .

1. Горизонтальный стабилизатор самолёта В -1. Тип конструкции – обшивка со стопперами, подкреплённая углепластиковыми лонжеронами со стенками в виде синусоидального гофра. Обшивка – углепластик 0⁰, 90⁰, ± 45⁰. Стопперы – боропластик. Уменьшение веса на 15%. = 14 100

2. Крыло перспективного истребителя фирмы Boeing. Тип конструкции – обшивка, подкреплённая углепластиковыми лонжеронами с шагом 2W = 190 мм. Обшивка – углепластик 0⁰ , 90⁰, ± 45⁰ . Обеспечена боевая живучесть от снаряда 23 мм. (размер повреждения ~ 200мм.) 0,2 ; = 0, 25 , = 15 170 .

3. Крыло самолёта F – 5. Тип конструкции – обшивка, подкреплённая лонжеронами. Обшивка – углепластик 0⁰ , 90⁰, ± 45⁰. Стопперы из стеклопластика. = 0,14 , = 24 250 .

4. Передний отсек фюзеляжа самолёта AV – 8B. Тип конструкции – обшивка, подкреплённая лонжеронами. Обшивка – углепластик на тканой основе с укладкой 0⁰ , 90⁰, ± 45⁰. Уменьшение веса на 25%. = 12 -15 110

5. Крыло перспективного самолёта фирмы Grumman. Тип конструкции – обшивка со стопперами, подкреплённая лонжеронами. Обшивка – углепластик 0⁰ , 90⁰, ± 45⁰. Стопперы из стеклопластика. = 32 210 .

Выводы:

1. Конструктор обязан проектировать агрегаты из КМ с учётом обеспечения эксплуатационной живучести.

2. На величину допускаемых эксплуатационных напряжений большое влияние оказывает и тип конструкции.

3. Применение стопперов трещин позволяет достигать = 25 - 30 при 2L = 80 – 100 мм., (без стопперов = 5 – 10 ).

4. Из представленной выше информации видно, что:

· все фирмы применяют укладку слоёв 0⁰ , 90⁰, ± 45⁰. На самолёте Boeing 787 применена такая же укладка;

· нагрузки, действующие на элементы конструкций самолёта, резко различны в разных направлениях. Композиционные материалы обладают тоже резкой анизотропией, что позволяет конструктору проектировать материал с механическими характеристиками в соответствии со спектром действующих нагрузок. Это является большим преимуществом КМ по сравнению с металлами, характеристики которых практически во всех направлениях одинаковые, а, значит, большинство их характеристик не реализуются полностью, что приводит к перетяжелению конструкции. С учётом разности в удельных весах преимущество КМ ещё больше возрастает.