close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Об обеспечении усталости и живучести конструкций транспортных самолетов..pdf

код для вставкиСкачать
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2011
№ 163
УДК 629.7.015.4:539.43
ОБ ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТАЛОСТИ И ЖИВУЧЕСТИ
КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ САМОЛЕТОВ
Б.Г. НЕСТЕРЕНКО
Статья представлена доктором технических наук, профессором Нестеренко Г.И.
Представлены обобщенные данные о свойствах алюминиевых сплавов. Приведены объемы наработок
отечественных и зарубежных самолетов при испытаниях на усталость и в эксплуатации.
Ключевые слова: усталость, скорость роста трещин, вязкость разрушения, ресурс, усталостные испытания
конструкций, налет самолетов-лидеров.
Введение
Материалы, применяемые в силовых конструкциях самолетов, занимают ключевую
позицию в обеспечении конкурентоспособности самолетов. Одним из главных мероприятий по
обеспечению высокой долговечности и повышенной живучести конструкций является
улучшение характеристик усталости и трещиностойкости алюминиевых сплавов, которые
являются основным конструкционным материалом современных гражданских самолетов.
На основе свойств выбранных материалов задаются уровни напряжений в проектируемых
конструкциях, при которых выполняются критерии усталости и живучести. В данной статье
приведены обобщенные данные о свойствах алюминиевых сплавов, применяемых в
конструкциях отечественных и зарубежных самолетов. Эффективность выбранных сплавов,
уровней напряжений и конструктивных решений подтверждается результатами испытаний
натурных конструкций на усталость и опытом эксплуатации. Решение этой задачи различными
авиационными фирмами проиллюстрировано в статье данными об объемах наработок натурных
конструкций самолетов на усталость и налетом самолетов-лидеров в эксплуатации.
Улучшение свойств алюминиевых сплавов
Обеспечение прочности, усталости, живучести, весовой эффективности конструкций
современных самолетов достигается в основном за счет применения усовершенствованных
алюминиевых сплавов. В 1970-е годы были определены требуемые значения вязкости
d 2a
разрушения K cy ≈ 140-145 МПа√м и скорости роста трещин
≈ 0,002 мм/кцикл при
dN
∆K=31 МПа√м в отечественных алюминиевых сплавах для обеспечения повышенной
живучести конструкций самолетов [1, 2]. Обоснования этих значений трещиностойкости
материалов приведены в [1, 3, 4]. Характеристики трещиностойкости серийных алюминиевых
сплавов, выпускаемых в 1970-е годы, были значительно хуже требуемых характеристик [1]. Но
к концу 1970-х годов в авиационной промышленности СССР сформировалась и действовала
Система управления качеством авиационных материалов (СУПРАКАМ). Главным принципом
функционирования этой системы был единый централизованный порядок создания, внедрения
и соблюдения нормативной документации, регламентирующий разработку, внедрение,
производство, применение и эксплуатацию материалов в составе изделия [5]. В результате
внедрения СУПРАКАМ были созданы сплавы 1163Т, 1161Т, 1163АВТ и другие с требуемыми
характеристиками трещиностойкости [1, 2].
61
Об обеспечении усталости и живучести конструкций . . .
В табл. 1-6 приведены свойства улучшенных алюминиевых сплавов, применяемых в
конструкциях современных отечественных и зарубежных самолетов [6-16]. Здесь приведены
следующие характеристики: K cy (K app ) – условный коэффициент интенсивности напряжений,
определенный на образцах без направляющих (без устранения потери устойчивости листов в
зоне трещины); v 31 = da / dN – скорость роста трещин при размахе коэффициента
интенсивности напряжений ∆K=31 МПа√м и коэффициенте симметрии цикла R ≈ 0 ; N 133 –
средняя усталостная долговечность стандартных образцов с центральным отверстием при
циклических напряжениях брутто σmax=133 МПа и коэффициенте симметрии цикла R ≈ 0 ; σb –
предел прочности; σ0,2 – предел текучести; δ – удлинение при разрушении.
Таблица 1
Свойства материалов обшивки нижней поверхности крыла. Плиты
Сплавы
1163Т 1163Т7
2324-Т39
С 433-Т351 С 433-Т39
Характеристики
Самолеты
материала
Ту-204 Ил-96-300 Боинг 757/767,
А340
Боинг 777
А380
σв, МПа
460
500
500
490
500
σ0.2, МПа
340
390
460
380
460
20
14
12
15
12
δ, %
N133, кциклов
205
200
275
250
R=0
da/dN, мм/кцикл
2,5
3
2,5
1,1
2,1
∆K=31, R=0
KсУ=Kapp, Па√м
175
163
148
153
163
W=1200 мм
2024-Т351
Боинг 747,
А310
490
390
15
115
2
135
Таблица 2
Свойства материалов обшивки верхней поверхности крыла. Плиты
Характеристики
материала
Сплавы
В96ц-3пчТ12
7150-Т651
Самолеты
ВИАМ
Боинг 757/767,
А310
635
>580
В95очТ2
σв, МПа
Ил-96-300,
Ту-204
540
σ0.2, МПа
460
595
550
595
δ, %
10
10
>7
7
N133, кциклов
R=0
170
320
-
300
da/dN, мм/кцикл
∆K=31, R=0
У
Kс =Kapp, МПа√м
W=1200 мм
3,25
5
4,3
3,5
175
70
85
90
7055-Т7751
Боинг 777,
А380
620
62
Б.Г. Нестеренко
Таблица 3
Свойства материалов нижней поверхности фюзеляжа. Листы
Характеристики
материала
1163АТВ 1163РДТВ
Ил-96-300
Сплавы
2524-Т3 6013- 1370Т1 1441РТ1
(t=3,8мм)
Т6
Самолеты
Боинг 777 А388 ВИАМ ВИАМ
сварные
450
400
440
420
σв, МПа
430
Ту-204
клёпаные
460
σ0.2, МПа
315
340
345
365
350
340
δ, %
24
23
19
13
10
13
N133, кциклов
R=0
100
115
168
85
105
85
da/dN, мм/кцикл
∆K=31, R=0
KсУ=Kapp, МПа√м
W=1200мм
2
2
1,7
2,5
2,5
2,7
120
130
140
110
100
100
Таблица 4
Свойства материалов обшивки верхней поверхности фюзеляжа. Листы
Характеристики
материала
Сплавы
1163АТВ
1163РДТВ
Ту-204
А380
Боинг 777
σв, МПа
Ил-96300
430
460
430
450
σ0.2, МПа
315
340
325
345
δ, %
24
23
20
19
N133, кциклов
R=0
100
115
100
168
da/dN, мм/кцикл
∆K=31, R=0
KсУ=Kapp, МПа√м
W=1200 мм
2
2
2
1,7
120
130
132
140
2524-Т3
(t=1,6мм)
Самолеты
2524-Т3
(t=3,8мм)
63
Об обеспечении усталости и живучести конструкций . . .
Таблица 5
Свойства материалов стрингеров нижней поверхности крыла. Прессованные профили
Характеристики
материала
1163
σв, МПа
Ту-204, SSJ100 и др.
570
σ0.2, МПа
Сплавы
В95очТ2 2224-Т3511
Самолеты
Ил-96-300
Боинг 777
Al-Li 2099-Т8967
ALCOA
570
590
>540
440
510
430
>490
δ, %
7
7
10
8
N133, кциклов
R=0
KIC, МПа√м
270
190
-
-
37
31
63
Таблица 6
Ковочные сплавы. Силовые шпангоуты, нервюры, лонжероны, фитинги
Характеристики
материала
Сплавы
1933Т123
7085Т7452
Самолеты
Боинг 787, А380
σв, МПа
"Мрия", Ан-148,
Як-130, SSJ-100
510
σ0.2, МПа
460
460
δ, %
8
9
N133, кциклов R=0
da/dN, мм/кцикл
∆K=31, R=0
KIC, МПа√м
140
2.6
2.7
37
36
500
На рис. 1, 2 показано улучшение фирмой Алкоа прочности и трещиностойкости алюминиевых
сплавов, применяемых в конструкциях зарубежных самолетов [12, 13].
Испытания полномасштабных конструкций
Нормы США по допустимости повреждений, представленные в 1978 году, не требовали
полномасштабных испытаний на усталостное разрушение для сертификации самолета. Поэтому
американские и европейские изготовители самолетов разработали различные концепции, чтобы
аттестовать свои изделия [17]. Вначале Боинг выполнял полномасштабные испытания на
усталость как доводочные в объеме не более одного ресурса [17]. Полномасштабные испытания
на усталость самолетов Боинг 727 и 747 были проведены в объеме одного ресурса.
64
Б.Г. Нестеренко
Рис. 1. Совершенствование основных алюминиевых сплавов, ALCOA
Рис. 2. Улучшение алюминиевых сплавов для самолетов Боинг
Для самолета Боинг 707 проведены только гидроусталостные испытания фюзеляжа в
объеме 2,5 проектных ресурсов. В 1987 году были проведены усталостные испытания
хвостовой части фюзеляжа снятого с эксплуатации самолета Боинг 737 с целью выявления
65
Об обеспечении усталости и живучести конструкций . . .
влияния многоочаговых трещин (MSD) на допустимость повреждения (damage tolerance) [18].
После 59 000 полетов в эксплуатации фюзеляж подвергся циклическому нагружению до 70 000
наддувов [19], после чего возникли многоочаговые трещины, приведшие к образованию
двухпролетной трещины и безопасной разгерметизации фюзеляжа за счет flapping (отгибания
листов обшивки) [18]. Фюзеляж самолета Боинг 747 был взят из эксплуатации после 20 000
полетов и подвергся циклическим наддувам в объеме еще 20 000 циклов. В процессе испытаний
образовались многоочаговые трещины, которые к концу испытаний объединились в одну
трещину длиной 150 мм [18]. На основе этих испытаний были определены периодичности
осмотров фюзеляжей: для самолета Боинг 737 – 12 лет при допущении о выполнении 3000
полетов в год; для самолета Боинг 747 – 7 лет при допущении о выполнении 1500 полетов в год
[18]. По мнению автора работы [18] усталостные испытания не гарантируют безопасность парка
и не могут заменить тщательно выполняемые осмотры. Несмотря на то, что усталостные
испытания новых моделей дают полезную информацию, у промышленности имеются веские
причины возражать против назначения ресурса на основе таких испытаний [18].
Полномасштабные испытания самолета Боинг 737 не проводились. В дальнейшем Боинг
расширил испытания полномасштабных конструкций до двух ресурсов самолетов Боинг 757,
Боинг 767 [19] и до трех ресурсов самолета Боинг 777.
Фирма Эрбас рассматривала полномасштабные испытания как сертификационные
испытания с моделированием минимум двух ресурсов [17]. На рис. 3 - 5 представлено
сравнение значений проектных ресурсов, наработок в эксплуатации и наработок при
усталостных испытаниях герметических фюзеляжей Боинг [19], полномасштабных
конструкций самолетов Дуглас [20], Эрбас [17] и отечественных самолетов [23]. Испытания на
усталость самолетов Ту-204, Ту-334, Ан-148 и SSJ-100 продолжаются.
Ан-12
Ан-24
Ан-124
Ан-148
Ту-134А
Ту-154Б
Усталостные испытания натурных
конструкций самолетов
Разрешенная наработка -для парка
Ту-204
Ту-334
Ил-18
Проектный ресурс
Ил-62
Ил-76
Ил-86
Ил-96
Як-40
Як-42
SSJ-100
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
110000
120000
Полеты
Рис. 3. Ресурсы конструкций самолетов России
130000
140000
150000
160000
66
Б.Г. Нестеренко
B 707
B 727
B 737
Усталостные испытания натурных
конструкций самолетов
Максимальный налет самолетовлидеров
Проектный ресурс
B 747
B 757
B 767
B 777
B 737NG
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
Циклы наддува, тыс. циклов
Рис. 4. Ресурсы конструкций фюзеляжа самолетов Боинг
A 300B2
A 310
A 320
A 330
A 340
Усталостные испытания натурных
конструкций самолетов
Максимальный налет самолетовлидеров
Проектный ресурс
A 380
DC-8
DC-9
DC-10
MD-90
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
110000
120000
130000
Полеты
Рис. 5. Ресурсы конструкций самолетов Эрбас и Дуглас
Испытания полномасштабных натурных отечественных самолетов проводились и проводятся
как сертификационные испытания на ресурс. К настоящему времени наработка в эксплуатации
некоторых типов длительно эксплуатируемых (стареющих) отечественных самолетов превысила
значения проектных ресурсов (рис. 3). В отличие от зарубежной практики в отечественной
практике полномасштабные испытания конструкций многих типов самолетов были проведены до
Об обеспечении усталости и живучести конструкций . . .
67
образования многоочаговых (обширных) усталостных повреждений. Такие конструкции,
поврежденные многоочаговыми трещинами, испытывались на остаточную прочность с
последующим определением длительности роста трещин методом фрактографии [21, 22].
Выводы
Алюминиевые сплавы остаются основным конструкционным материалом транспортных
самолетов. В отечественной и зарубежной авиационной промышленности осуществляется
непрерывное совершенствование сплавов с целью получения высоких значений прочности,
сопротивления усталости и трещиностойкости. Улучшение этих свойств производится
дифференцированно для различных силовых элементов планера самолета: обшивки нижней
поверхности крыла, обшивки верхней поверхности крыла, обшивки нижней части фюзеляжа,
обшивки верхней части фюзеляжа и т. д.
Эффективность выбранных материалов, уровней напряжений и конструктивных решений
подтверждается испытаниями на усталость натурных конструкций самолетов в объеме не менее
двух проектных ресурсов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нестеренко Г.И. Требования к обеспечению эксплуатационной живучести планера пассажирских и
транспортных самолетов на этапе проектирования: сб. докладов научно-технической конференции «Комплексное
обеспечение ресурса авиаконструкций», ЦАГИ, 1984. - С. 199-211.
2. Нестеренко Г.И. Расчет характеристик эксплуатационной живучести самолетных конструкций на основе
механики разрушения // Физико-химическая механика материалов. - Львов, АН УССР. - 1983. - № 1. - С. 12-20.
3. Нестеренко Г.И. Требования к свойствам перспективных конструкционных материалов для планера самолета
// Технология легких сплавов. – ВИЛС, 1995. - № 2. - С. 43-51.
4. Нестеренко Г.И. Расчетные характеристики перспективных конструкционных материалов для планера
самолета //Техника воздушного флота. - 1995. - № 3,4. - С. 1-9.
5. Качанов Е.Б., Беренсон В.Ф. Паспортизация авиационных материалов // Технология легких сплавов. –
ВИЛС. - № 2. - С. 19-21.
6. Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в периоды 1970-2000 и 2001-2015 гг. //
Технология легких сплавов. - ВИЛС. - № 4. - С. 12-17.
7. Фридляндер И.Н., Садков В.В., Сандлер В.С., Федоренко Т.П. Свойства полуфабрикатов из
высокотехнологичного Al-Li сплава 1441 // Технология легких сплавов. - ВИЛС. - № 4. - С. 24-27.
8. Сенаторова О.Г., Сухих А.Ю. Сидельников В.В., Головизнина Г.М., Матвиенко С.В. Развитие и
перспективы применения высокопрочных алюминиевых сплавов для катаных полуфабрикатов // Технология
легких сплавов. - ВИЛС. - 2002. - № 4. - С. 28-33.
9. Ткаченко Е.Н., Латушкина Л.В., Вальков В.Я., Шомин В.А. Влияние режимов гомогенизации на
структуру и свойства слитков и пресованно–штампованных полуфабрикатов из сплава 1933 // Технология легких
сплавов. - ВИЛС. - 2002. - № 4. - С. 34-37.
10. Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б., Овсянников Б.В., Попов В.И., Ивановский Н.П. Освоение производства
полуфабрикатов из коррозионно-стойкого свариваемого сплава марки 1370 системы Al-Mg-Si-Cu // Технология
легких сплавов. - ВИЛС. - 2002. - № 4. - С. 44-47.
11. United States Patent, 4,294,625,Oct.13,1981.
12. Airliner April-June 1996, Boeing. Boeing Structural Design and Technology Improvements.
13. Ralph Sawtell, John Liu, John Newman, Gary Bray, Alexander Sakharutov. Advanced aluminum alloys and
products for aerospace application. ALCOA. Presented to Technical Seminar for Yakovlev Design Bureau. January, 2009.
14. Басов В.Н., Нестеренко Б.Г., Нестеренко Г.И. Разрушение высокопрочных алюминиевых сплавов //
Полет. - М.: ЦАГИ. - 2008. - С. 87-92.
15. Boris G. Nesterenko, Grigory I. Nesterenko, Valentin N. Basov. Fracture behaviour of skin materials of civil
airplane structures. Proceedings of the 25th Symposium of the International Committee on Aeronautical Fatigue (ICAF),
27-29 May 2009, Rotterdam, the Netherlands, Springer, p.661-683.
16. Дмитриев В.Г.,
Замула Г.Н.,
Коновалов В.В.,
Нестеренко Г.И.
Приоритетные
направления
совершенствования материалов для конструкций перспективных самолетов // Технология легких сплавов. - ВИЛС.
- 2003. - № 1. - С. 3-8.
68
Б.Г. Нестеренко
17.Ганс-Юрген Шмидт. Принципы живучести, методы и эксперименты, применяемые в конструкции
современных больших транспортных самолетов для соответствия принятым нормам FAA/JAA: дис…. канд. техн.
наук. - М.: ИМАШ РАН, 2002.
18.Ulf G.Goranson. Damage Tolerance, Facts and Fiction. Presentation at International Conference on Damage
Tolerance of Aircraft Structures, 25th September, 2007, Delft Technical University, Delft, the Netherlands.
19.Varanasi S.Rao, McGuir Jac F. Boeing structural design technology improvements. Proceedings of the FAA-NASA
Sixth International Conference on the Continued Airworthiness of Aircraft Structures, Atlantic City, New Jersey, 27-28
June 1995, p.75-81.
20.Hoggard Amos W. Design, analysis and testing of durable aircraft structures. Presented to International Symposium
“Experimental Facilities and Aircraft Certification” Zhukovsky, Moscow region, Russia, 22-25 August 1995.
21.Nesterenko G.I. Multiple site fatigue damages of aircraft structures. AGARD Conference Proceedings 568
Widespread Fatigue Damage in Military Aircraft. Papers presented at the 80th Meeting of the AGARD Structures and
Materials Panel, held in Rotterdam, the Netherlands. 10-11 May 1995, p.11-1 ÷ 11-8.
22.Nesterenko G.I. Fatigue and damage tolerance of aging aircraft structures. Proceeding of the FAA-NASA
Symposium on the Continued Airworthiness of Aircraft Structures. Atlanta, Georgia, 28–30 August, 1996, p.279-299.
23.Дубинский В.С. О состоянии ресурсов отечественных транспортных и пассажирских самолетов / Труды
ЦАГИ. - 2009. - Вып. 2683. - С. 44-46.
ON ENSURING FATIGUE AND DAMAGE TOLERANCE OF TRANSPORT STRUCTURES
Nesterenko B.G.
Generalized data are presented on Al-alloy properties. Lifetimes of home and foreign aircraft have been analyzed in
full-scale tests and in operation.
Key words: weariness, growth rate of cracks, viscosity of destruction, resource, fatigue test of designs, flight hours of
the planes - leaders.
Сведения об авторе
Нестеренко Борис Григорьевич, 1977 г.р., окончил МФТИ (2000), кандидат технических наук,
аналитик фирмы “Нограф”, автор более 40 научных работ, область научных интересов - механика
разрушения.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
291 Кб
Теги
обеспечение, живучести, конструкции, pdf, самолетов, транспортной, усталость
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа