РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ЭФФЕКТИВНЫХ РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-КЛИМАТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРАХИ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРАХ

НИО-9НИО-9Руководитель НИР Руководитель НИР :: Калюта А. А. Калюта А. А.

Основание для выполнения НИР:Основание для выполнения НИР:

• Федеральная целевая программа «Развитие гражданской Федеральная целевая программа «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» (ФЦП РГАТ), утвержденная Постановлением 2015 года» (ФЦП РГАТ), утвержденная Постановлением Правительства Российской Федерации от 15 октября 2001 г. Правительства Российской Федерации от 15 октября 2001 г. №728, с изменениями в соответствии с постановлением №728, с изменениями в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 11 мая 2007 г. №284 Правительства Российской Федерации от 11 мая 2007 г. №284 и изменениями от 7 мая 2008 года №364,и изменениями от 7 мая 2008 года №364,

• Извещение Экспертного Совета при Научно-координационном Извещение Экспертного Совета при Научно-координационном совете Министерства промышленности и торговли Российской совете Министерства промышленности и торговли Российской Федерации по координации, научно-техническому и Федерации по координации, научно-техническому и организационному сопровождению реализации Федеральной организационному сопровождению реализации Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года» техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года» от 29 октября 2009 года «О рассмотрении предложений на от 29 октября 2009 года «О рассмотрении предложений на выполнение работ в рамках Федеральной целевой программы выполнение работ в рамках Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года».2010 годы и на период до 2015 года».

Цели исследованийЦели исследований• Общая:Общая: обеспечение снижения веса силовой конструкции самолетов обеспечение снижения веса силовой конструкции самолетов

нового поколения на 10…20 % и увеличение ресурса в 2…3 раза. нового поколения на 10…20 % и увеличение ресурса в 2…3 раза.

• Этап 1. Исследование эффективности традиционных и Этап 1. Исследование эффективности традиционных и перспективных конструктивно-технологических методов обеспечения перспективных конструктивно-технологических методов обеспечения и повышения усталостной долговечности заклёпочных и болтовых и повышения усталостной долговечности заклёпочных и болтовых соединений из алюминиевых, титановых сплавов, композиционных соединений из алюминиевых, титановых сплавов, композиционных материалов в ожидаемых условиях эксплуатации авиационной материалов в ожидаемых условиях эксплуатации авиационной техники нового поколения. Разработка методов оценки и техники нового поколения. Разработка методов оценки и прогнозирования остаточной прочности и сопротивления усталости прогнозирования остаточной прочности и сопротивления усталости высокоресурсных элементов авиаконструкций. высокоресурсных элементов авиаконструкций.

• Этап 2. Разработка и исследования расчётно-экспериментальных Этап 2. Разработка и исследования расчётно-экспериментальных методов прогнозирования и обеспечения прочности и ресурса методов прогнозирования и обеспечения прочности и ресурса изделий авиационной техники при коррозионных воздействиях изделий авиационной техники при коррозионных воздействиях

• Этап 3. Разработка и совершенствование статистических методов Этап 3. Разработка и совершенствование статистических методов расчётно-экспериментальной оценки и прогнозирования расчётно-экспериментальной оценки и прогнозирования характеристик общей и остаточной прочности и усталостной характеристик общей и остаточной прочности и усталостной долговечности конструкционных материалов, высокоресурсных долговечности конструкционных материалов, высокоресурсных элементов конструкций и особоответственных узлов и частей элементов конструкций и особоответственных узлов и частей планера летательных аппаратов с учетом конструктивно-планера летательных аппаратов с учетом конструктивно-технологических и эксплуатационно-климатических факторов.технологических и эксплуатационно-климатических факторов.  

Сроки, этапы и задачи работы:Сроки, этапы и задачи работы:• Сроки выполнения этаповСроки выполнения этапов

• Этап 1 ─ январь 2013 г. ─ июнь 2015 годаЭтап 1 ─ январь 2013 г. ─ июнь 2015 года• Этап 2 ─ январь 2013 г. ─ сентябрь 2015 годаЭтап 2 ─ январь 2013 г. ─ сентябрь 2015 года• Этап 3 ─ июль 2013 г. ─ ноябрь 2015 годаЭтап 3 ─ июль 2013 г. ─ ноябрь 2015 года

Этап 1Этап 1

• 1.1. Экспериментальное изучение влияния новых и перспективных 1.1. Экспериментальное изучение влияния новых и перспективных технологий производства воздушных судов нового поколения и технологий производства воздушных судов нового поколения и технологической наследственности на сопротивление усталости, технологической наследственности на сопротивление усталости, герметичность, коррозионную стойкость конструктивных элементов и их герметичность, коррозионную стойкость конструктивных элементов и их соединений. соединений.

• 1.2. Экспериментальная оценка влияния релаксационных процессов, 1.2. Экспериментальная оценка влияния релаксационных процессов, процессов старения, обусловленных временными, эксплуатационными процессов старения, обусловленных временными, эксплуатационными и технологическими факторами, на общие и остаточные характеристики и технологическими факторами, на общие и остаточные характеристики статической прочности, усталостной долговечности и эффективность статической прочности, усталостной долговечности и эффективность мероприятий по повышению прочности и ресурса элементов мероприятий по повышению прочности и ресурса элементов конструкций планера самолёта.конструкций планера самолёта.

• 1.3. Разработка рекомендаций по обеспечению и повышению 1.3. Разработка рекомендаций по обеспечению и повышению конструктивно-технологическими методами показателей прочности, конструктивно-технологическими методами показателей прочности, несущей способности, герметичности и проектного ресурса планера и несущей способности, герметичности и проектного ресурса планера и механических систем летательных аппаратов в эксплуатационных механических систем летательных аппаратов в эксплуатационных условиях.условиях.

• 1.4. Разработка методов оценки и прогнозирования остаточной 1.4. Разработка методов оценки и прогнозирования остаточной прочности и усталостной долговечности высокоресурсных элементов прочности и усталостной долговечности высокоресурсных элементов авиаконструкций. авиаконструкций.

Влияние времени экспозиции Влияние времени экспозиции на сопротивление усталости на сопротивление усталости заклёпочного соединениязаклёпочного соединения

30000

49560

475980

1186700

1083600

y = 1E+06e-0,0809x

R2 = 0,9609

10000

100000

1000000

10000000

0 10 20 30 40 50 60 70

Продолжительность выдержки, лет

До

лго

веч

но

сть

, ци

кло

в

Зависимость усталостной долговечности плоских образцов Зависимость усталостной долговечности плоских образцов из алюминиевого сплава АК4-1Т1, л.3 с центральным заполненным отверстием из алюминиевого сплава АК4-1Т1, л.3 с центральным заполненным отверстием

от относительного натяга в полулогарифмических координатах.от относительного натяга в полулогарифмических координатах.σσmm  ==  133 МПа, 133 МПа, σσaa  ==  39 МПа, 39 МПа, ff  ==  5,5 Гц5,5 Гц

y = 8E-05x0,6756

R2 = 0,9962

0

1

2

3

4

5

6

1000000 10000000 100000000

Nlg, цикл

d0,

%

Зависимость усталостной долговечности плоских образцов с центральным Зависимость усталостной долговечности плоских образцов с центральным отверстием из алюминиевого сплава АК4-1Т1, л.3 с заполненным отверстием от отверстием из алюминиевого сплава АК4-1Т1, л.3 с заполненным отверстием от продолжительности экспозиции в лабораторных условиях при температуре 20ºС. продолжительности экспозиции в лабораторных условиях при температуре 20ºС. Конус – сталь 30ХГСА. Начальный натяг 3%. Конус – сталь 30ХГСА. Начальный натяг 3%. σσmm  ==  133 МПа, 133 МПа, σσaa  ==  39 МПа, 39 МПа, ff  ==  5,5 Гц.5,5 Гц.

3005487

5758085

2412755

3688517

y = 18468x2 - 505309x + 6E+06

R2 = 0,3981

0

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15

продолжительность экспозиции, лет

N, ц

икло

в

Зависимость относительного натяга от продолжительности Зависимость относительного натяга от продолжительности экспозицииэкспозиции

1,311

1,3131,3261,3631,421

2,774

2,5632,384

3

2,2052,047

1,8951,766

1,6581,558

1,474

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Продолжительность экспозиции, лет

d0,%

Исследование влияния воздействия импульсного электрического тока Исследование влияния воздействия импульсного электрического тока при технологических операциях формообразования деталей планера при технологических операциях формообразования деталей планера

самолета из алюминиевых сплавов самолета из алюминиевых сплавов

• ––○–– ––○–– 1 – исходное состояние, 1 – исходное состояние, • ––□–– ––□–– 2 – деформирование после воздействия ИЭТ 2 – деформирование после воздействия ИЭТ (I(I =10 кА; τ = 120 с; =10 кА; τ = 120 с; ТТ = 60...70° С), = 60...70° С),• ---●--- 3 – деформирование после воздействия ИЭТ (---●--- 3 – деформирование после воздействия ИЭТ ( II = 10 кА; τ = 30 с; = 10 кА; τ = 30 с; ТТ = 60...70° С). = 60...70° С). • Частота нагружения Частота нагружения f f = 20 Гц; коэффициент асимметрии = 20 Гц; коэффициент асимметрии RR = 0,1. = 0,1.•   

• Усталостная долговечность образцов с отверстием (Усталостная долговечность образцов с отверстием (ККtt = 2,5), изготовленных из сплава Д16чАТ, л. 4 мм, = 2,5), изготовленных из сплава Д16чАТ, л. 4 мм,

деформированного (ε = 1,5%) при нормальной температуре после воздействия импульсного деформированного (ε = 1,5%) при нормальной температуре после воздействия импульсного электрического токаэлектрического тока

140

160

180

200

220

10000 100000 1000000N , циклов

σ max

, М

Па

Этап 2Этап 2• 2.1. Разработка единого подхода к нормированию по условиям 2.1. Разработка единого подхода к нормированию по условиям

остаточной прочности и усталостной долговечности коррозионных остаточной прочности и усталостной долговечности коррозионных эксплуатационных повреждений;эксплуатационных повреждений;

• 2.2. Выявление универсальных качественных и количественных 2.2. Выявление универсальных качественных и количественных показателей или параметров (меры) коррозионного поражения, показателей или параметров (меры) коррозионного поражения, однозначно отражающих его влияние на изменение однозначно отражающих его влияние на изменение механических характеристик конструкционных материалов при механических характеристик конструкционных материалов при статическом и циклическом нагружении или несущей способности статическом и циклическом нагружении или несущей способности и ресурса конструктивных элементов;и ресурса конструктивных элементов;

• 2.3. Получение фундаментальных зависимостей сопротивления 2.3. Получение фундаментальных зависимостей сопротивления усталости лёгких конструкционных сплавов от меры их усталости лёгких конструкционных сплавов от меры их повреждения коррозией и календарного срока службы;повреждения коррозией и календарного срока службы;

• 2.4.2.4. Разработка методов прогнозирования (оценки с учётом Разработка методов прогнозирования (оценки с учётом вероятности наступления событий) остаточной коррозионно-вероятности наступления событий) остаточной коррозионно-усталостной долговечности элементов планера летательного усталостной долговечности элементов планера летательного аппарата с коррозионными повреждениями. аппарата с коррозионными повреждениями.

f = F/t2, F — площадь миделя повреждения; t — толщина образца.

Зависимости циклической долговечности сплава В95пчТ2 от определяющего параметра f поверхностной язвы.

Результаты испытаний, кривые регрессии и границы 95%-ных доверительных областей кривых (штриховые линии)

N, цикл

σ, кг/мм2

σ1

σ2

Квантильные кривые регрессии Квантильная кривая усталости

max,

кгс/мм2

15

10

104 105 106

N, циклы P = 0,5 P = 0,1 P = 0,01

Кривые усталости сплава с поверхностными язвами размеромf = 0,1, 1,0 и 5,0 для вероятностей разрушения P = 0,5. 0,1 и 0,01

N•σm = C

f

N,цикл Y(1, f, P, Pc)

Y(2, f, P, Pc)

N,цикл

105

104

0,01 0,1 1 10 f

○ max = 10 кгс/мм2

max = 13,5 кгс/мм2 □ max = 18 кгс/мм2

P = 0,5 P = 0,1 P = 0,01

Рисунок 4.15 Результаты испытаний и кривые зависимости циклической долговечности сплава от параметра f поверхностной язвы при уровнях напряжений max = 10, 13,5 и 18 кгс/мм2 для вероятностей разрушения 0,5; 0,1 и 0,01. Нижние

границы для вероятностей 0,1 и 0,01 определены с доверительной вероятностью 0,95

0,0

2

0,0

6

>2,18

0

0,5

1

1,5

Выдержка на воздухе Выдержка в искусственном

конденсате

Выдержка в 3% NaCl

N i

/ N

(то-

1)

исх.

0

- ТО-1

- ТО-2

- ТО-3 - ТО-4

Изменение усталостной долговечности "гладких" образцов (kt =1,15) из сплава 1163РТВ с различной обработкой поверхности листа «ТО» при σ max =200 МПа

после экспозиции в коррозионных средах в течение 300 суток без нагрузки (а) и под напряжением σ ст = 80 МПа (б)

Этап 3Этап 3

• 3.1. Выявление методами линейного регрессионного анализа общих 3.1. Выявление методами линейного регрессионного анализа общих зависимостей (линейных или кусочно-линейных ─ в двойных зависимостей (линейных или кусочно-линейных ─ в двойных логарифмических координатах) изменения параметров уравнений логарифмических координатах) изменения параметров уравнений регрессии от количественных характеристик значимых конструктивно - регрессии от количественных характеристик значимых конструктивно - технологических и эксплуатационно-климатических факторов.технологических и эксплуатационно-климатических факторов.

• 3.2. Определение функциональных и корреляционных связей для 3.2. Определение функциональных и корреляционных связей для функций влияния характеристик значимых конструктивно- функций влияния характеристик значимых конструктивно- технологических и эксплуатационно-климатических факторов на технологических и эксплуатационно-климатических факторов на параметры уравнений регрессии конструкционных материалов, параметры уравнений регрессии конструкционных материалов, типовых конструктивных элементов, локальных зон натурных типовых конструктивных элементов, локальных зон натурных авиаконструкций.авиаконструкций.

• 3.3. Разработка и оценка эффективности, надёжности и достоверности 3.3. Разработка и оценка эффективности, надёжности и достоверности статистических расчётно-экспериментальных методов прогнозирования статистических расчётно-экспериментальных методов прогнозирования прочности и ресурса изделий авиационной техники на основе методов прочности и ресурса изделий авиационной техники на основе методов регрессионного анализа.регрессионного анализа.

1. Разработка и исследование расчётно-экспериментальных методов 1. Разработка и исследование расчётно-экспериментальных методов прогнозирования усталостной долговечности изделий авиационной техники.прогнозирования усталостной долговечности изделий авиационной техники.

• Кривые усталости образцов из сплава 1163АТВ с Кривые усталости образцов из сплава 1163АТВ с KtKt = 1,15 (1); 2,78 (2); 2,6 (3) (≈ при 10 = 1,15 (1); 2,78 (2); 2,6 (3) (≈ при 10 44≤ ≤ NN ≤ 5×10 ≤ 5×106 6 циклов) циклов)

Кривые усталости образцов с отверстием Кривые усталости образцов с отверстием dd = 5 мм из сплава 1201Т1= 5 мм из сплава 1201Т1при σпри σmm = 180 (1), 150 (2), 130 (3), 108,3 (4), 84 (5), 70 (6), 35 (7), 0 (8) = 180 (1), 150 (2), 130 (3), 108,3 (4), 84 (5), 70 (6), 35 (7), 0 (8)  МПаМПа

Зависимость между коэффициентами уравнений регрессии Зависимость между коэффициентами уравнений регрессии (отнулевое нагружение, 54 кривых уст., (отнулевое нагружение, 54 кривых уст.,

Д16АТ, АК4-1АТ1, 1163АТВ, 1201Т1, ПТ-7М, ВТ1-0, 12Х18Н10Т)Д16АТ, АК4-1АТ1, 1163АТВ, 1201Т1, ПТ-7М, ВТ1-0, 12Х18Н10Т)

lgNi = a + b lgσmaxi = a + (1,57 – 0,39 a) lgσmaxi (4) Для алюминиевых сплавов (32 кривых усталости)

b = 1,6382 – 0,3994a

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ,ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ,

• ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ:: • ─ ─ механические характеристики конструкционных металлических и композиционных механические характеристики конструкционных металлических и композиционных

материалов, характеристики прочности и сопротивления усталости типовых материалов, характеристики прочности и сопротивления усталости типовых конструктивных образцов и элементов авиаконструкций при статическом и конструктивных образцов и элементов авиаконструкций при статическом и циклическом и программном нагружении в зависимости от значимых конструктивно-циклическом и программном нагружении в зависимости от значимых конструктивно-технологических и эксплуатационно-климатических факторов.технологических и эксплуатационно-климатических факторов.

• ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ::• ─ ─ проектные показатели общих и межремонтных ресурсов и календарных сроков проектные показатели общих и межремонтных ресурсов и календарных сроков

службы авиатехники нового поколения;службы авиатехники нового поколения;• ─ ─ конструктивно-технологическое исполнение воздушных судов нового поколения ;конструктивно-технологическое исполнение воздушных судов нового поколения ;• ─ ─ номенклатура и механические характеристики конструкционных материалов, номенклатура и механические характеристики конструкционных материалов,

применяемых в конструкции планера воздушных судов нового поколения;применяемых в конструкции планера воздушных судов нового поколения;• ─ ─ технологическое обеспечение производства воздушных судов нового поколения технологическое обеспечение производства воздушных судов нового поколения

(оборудование, техпроцессы и операции, финишные и упрочняющие операции, их (оборудование, техпроцессы и операции, финишные и упрочняющие операции, их параметры и стабильность, технологическая наследственность, крепёж , доводка по параметры и стабильность, технологическая наследственность, крепёж , доводка по весу и предельным отклонениям размеров, сборка, компенсация производственных весу и предельным отклонениям размеров, сборка, компенсация производственных погрешностей, входной и выходной контроль); погрешностей, входной и выходной контроль);

• ─ ─ ожидаемые условия эксплуатации, нагруженность и интенсивность применения ожидаемые условия эксплуатации, нагруженность и интенсивность применения воздушных судов нового поколения,воздушных судов нового поколения,

• ─ ─ факторы, отражающие конструктивно-технологические и эксплуатационные факторы, отражающие конструктивно-технологические и эксплуатационные особенности новых и перспективных воздушных судов малой авиации.особенности новых и перспективных воздушных судов малой авиации.

ОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ

• гладкие образцы, образцы с различными концентраторами напряжений из гладкие образцы, образцы с различными концентраторами напряжений из алюминиевых и титановых сплавов, полимерных композиционных материалов, алюминиевых и титановых сплавов, полимерных композиционных материалов, образцы заклёпочных, болтовых, сварных и комбинированных соединений, образцы заклёпочных, болтовых, сварных и комбинированных соединений, гибридные конструкции, натурные элементы конструкции планера самолёта, гибридные конструкции, натурные элементы конструкции планера самолёта, изготовленные по традиционным, новым и перспективным технологиям в изготовленные по традиционным, новым и перспективным технологиям в условиях опытного и серийного авиационного производства для обоснования условиях опытного и серийного авиационного производства для обоснования возможности практической реализации разработанных методов и возможности практической реализации разработанных методов и технологических рекомендаций,технологических рекомендаций,

• образцы конструкционных материалов и соединений, использующихся в образцы конструкционных материалов и соединений, использующихся в конструкции планера, элементов механических и трубопроводных систем новых конструкции планера, элементов механических и трубопроводных систем новых и перспективных воздушных судов малой авиации и перспективных воздушных судов малой авиации ..

ПУТИ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧПУТИ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧ• 1. Расчётно-экспериментальные исследования по выявлению значимых конструктивно-1. Расчётно-экспериментальные исследования по выявлению значимых конструктивно-

технологических факторов, обеспечивающих основной прирост долговечности типовых технологических факторов, обеспечивающих основной прирост долговечности типовых конструктивных образцов, заклёпочных и болтовых соединений, натурных конструкций.конструктивных образцов, заклёпочных и болтовых соединений, натурных конструкций.

• 2. Выявление эксплуатационно-климатических факторов, значимых по влиянию на показатели 2. Выявление эксплуатационно-климатических факторов, значимых по влиянию на показатели прочности и сопротивления усталости для определения срока службы и ресурса соединений.прочности и сопротивления усталости для определения срока службы и ресурса соединений.

• 3. Исследование технического и коррозионного состояния элементов натурных авиаконструкций 3. Исследование технического и коррозионного состояния элементов натурных авиаконструкций с большой эксплуатационной наработкой и образцов заклёпочных и болтовых соединений с большой эксплуатационной наработкой и образцов заклёпочных и болтовых соединений после различных воздействий внешней среды и временных экспозиций, изучение процессов после различных воздействий внешней среды и временных экспозиций, изучение процессов деградации свойств материалов и прочностных и усталостных характеристик элементов деградации свойств материалов и прочностных и усталостных характеристик элементов конструкций.конструкций.

• 4. Исследование влияния временнόго фактора на усталостную долговечность болтовых и 4. Исследование влияния временнόго фактора на усталостную долговечность болтовых и заклёпочных соединений, модельных и натурных конструкций с эффектом упрочнения.заклёпочных соединений, модельных и натурных конструкций с эффектом упрочнения.

• 5. Исследование и моделирование процессов старения и деградации конструкционных 5. Исследование и моделирование процессов старения и деградации конструкционных материалов и конструктивных элементов (заклёпочных и болтовых соединений), материалов и конструктивных элементов (заклёпочных и болтовых соединений), композиционных материалов и конструкций из них) , накопления повреждений в эксплуатации.композиционных материалов и конструкций из них) , накопления повреждений в эксплуатации.

• 6. Исследование влияния модельных форсированных температурно-силовых воздействий на 6. Исследование влияния модельных форсированных температурно-силовых воздействий на остаточную долговечность заклёпочных, болтовых и комбинированных соединений с учетом остаточную долговечность заклёпочных, болтовых и комбинированных соединений с учетом конструктивно-технологических особенностей элементов конструкций.конструктивно-технологических особенностей элементов конструкций.

• 7. Определение эквивалентов между продолжительностью календарных периодов хранения и 7. Определение эквивалентов между продолжительностью календарных периодов хранения и параметрами форсированных режимов температурных экспозиций образцов заклёпочных и параметрами форсированных режимов температурных экспозиций образцов заклёпочных и болтовых соединений.болтовых соединений.

• 8. Разработка методов определения эквивалентных по остаточной долговечности периодов 8. Разработка методов определения эквивалентных по остаточной долговечности периодов экспозиции при различных параметрических воздействиях и комплексных лабораторных и экспозиции при различных параметрических воздействиях и комплексных лабораторных и натурных ресурсных испытаниях и прогнозирования срока службы и ресурса летательных натурных ресурсных испытаниях и прогнозирования срока службы и ресурса летательных аппаратов с учетом воздействия внешних факторов.аппаратов с учетом воздействия внешних факторов.

Актуальность и ожидаемые результатыАктуальность и ожидаемые результаты• Соответствие целей и задач НИР директивам Федеральной целевой Соответствие целей и задач НИР директивам Федеральной целевой

программы «Развитие гражданской авиационной техники России на программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» по обеспечению для 2002-2010 годы и на период до 2015 года» по обеспечению для самолетов нового поколения снижения веса силовой конструкции самолетов нового поколения снижения веса силовой конструкции на 10…20 % и увеличение ресурса в 2…3 раза и проектного ресурса на 10…20 % и увеличение ресурса в 2…3 раза и проектного ресурса среднемагистральных самолётов до 90 … 100 тысяч лётных часов.среднемагистральных самолётов до 90 … 100 тысяч лётных часов.

1.1. Сокращение стоимости, объёмов и сроков лабораторных испытаний в Сокращение стоимости, объёмов и сроков лабораторных испытаний в 3…5 раз, натурных испытаний – до 2 раз. 3…5 раз, натурных испытаний – до 2 раз.

2.2. Повышение достоверности результатов (снижение погрешности) Повышение достоверности результатов (снижение погрешности) расчётов общих и остаточных показателей сопротивления усталости расчётов общих и остаточных показателей сопротивления усталости образцов материалов и долговечности конструкций в 2…4 раза во образцов материалов и долговечности конструкций в 2…4 раза во всём исследуемом диапазоне конструктивно-технологических и всём исследуемом диапазоне конструктивно-технологических и эксплуатационно-климатических воздействий.эксплуатационно-климатических воздействий.

• Результаты работы могут быть использованы при проведении работ по Результаты работы могут быть использованы при проведении работ по оценке ресурса планера самолётов оценке ресурса планера самолётов SSJSSJ, МС-21, 2020, СДС, воздушных , МС-21, 2020, СДС, воздушных судов малой авиации. судов малой авиации.

Спасибо за внимание!Спасибо за внимание!

ПРИЛОЖЕНИЕПРИЛОЖЕНИЕ

• Информационно-Информационно-иллюстративный иллюстративный

материалматериал

1. Разработка и исследование расчётно-экспериментальных методов 1. Разработка и исследование расчётно-экспериментальных методов прогнозирования усталостной долговечности изделий авиационной техники.прогнозирования усталостной долговечности изделий авиационной техники.

• Кривые усталости образцов из сплава 1163АТВ с Кривые усталости образцов из сплава 1163АТВ с KtKt = 1,15 (1); 2,78 (2); 2,6 (3) (≈ при 10 = 1,15 (1); 2,78 (2); 2,6 (3) (≈ при 10 44≤ ≤ NN ≤ 5×10 ≤ 5×106 6 циклов) циклов)

Кривые усталости образцов с отверстием Кривые усталости образцов с отверстием dd = 5 мм из сплава 1201Т1= 5 мм из сплава 1201Т1при σпри σmm = 180 (1), 150 (2), 130 (3), 108,3 (4), 84 (5), 70 (6), 35 (7), 0 (8) = 180 (1), 150 (2), 130 (3), 108,3 (4), 84 (5), 70 (6), 35 (7), 0 (8)  МПаМПа

Уравнение кривой усталостиУравнение кривой усталости

• При отнулевом нагружении: При отнулевом нагружении: • lglgNNii = = a + ba + b lgσ lgσmaxmaxii ((11))

• При нагружении с переменными При нагружении с переменными σσmm и и σσaa ::

• lg lg NNii = = aa + + bb lg σ lg σaiai (2)(2)

• Уравнение регрессии:Уравнение регрессии:• yy = = aa + + bxbx, , (3)(3)

• где где yyii = lg = lg NNii, , xxii = lgσ = lgσmaxmaxii или или xxii = lgσ= lgσaiai,,

Расчёт коэффициентов Расчёт коэффициентов уравнений регрессииуравнений регрессии

xxxy SSb

n

ii

n

iii

n

iixy yx

nyxS

111

1

xbya

n

i

n

ii

ixx n

x

xS1

2

12

ху — средние значения изучаемых величин

Зависимость между коэффициентами уравнений регрессии Зависимость между коэффициентами уравнений регрессии (отнулевое нагружение, 54 кривых уст., (отнулевое нагружение, 54 кривых уст.,

Д16АТ, АК4-1АТ1, 1163АТВ, 1201Т1, ПТ-7М, ВТ1-0, 12Х18Н10Т)Д16АТ, АК4-1АТ1, 1163АТВ, 1201Т1, ПТ-7М, ВТ1-0, 12Х18Н10Т)

lgNi = a + b lgσmaxi = a + (1,57 – 0,39 a) lgσmaxi (4) Для алюминиевых сплавов (32 кривых усталости)

b = 1,6382 – 0,3994a

Зависимость между температурой испытаний и параметрами уравнений регрессии Зависимость между температурой испытаний и параметрами уравнений регрессии образцов с отверстием из сплава АК4-1АТ (1, 2) и АК4-1АТ1 (3, 4)образцов с отверстием из сплава АК4-1АТ (1, 2) и АК4-1АТ1 (3, 4)

Влияние толщины на коэффициенты уравнений регрессии образцов с отверстием Влияние толщины на коэффициенты уравнений регрессии образцов с отверстием ((ККtt = 2,56) из приповерхностных слоёв плиты сплава 1201Т1 = 2,56) из приповерхностных слоёв плиты сплава 1201Т1

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 7

h , мм

Ко

эфф

иц

иен

ты а

и b

Зависимость коэффициентов уравнений регрессииЗависимость коэффициентов уравнений регрессииaa (тёмные точки), (тёмные точки), bb (светлые точки) от (светлые точки) от ККt t (Д16АТ)(Д16АТ)

Зависимости коэффициентов уравнений регрессии от величины σЗависимости коэффициентов уравнений регрессии от величины σmm для образцов из для образцов из

Д16АТ (1, 2), из плиты 1201 (3, 4, 5,6), сварных образцов из листа 1201Т1 (7, 8), Д16АТ (1, 2), из плиты 1201 (3, 4, 5,6), сварных образцов из листа 1201Т1 (7, 8), образцов с отверстием из листа 1201Т1 (9, 10)образцов с отверстием из листа 1201Т1 (9, 10)

Влияние длительности предварительной выдержки в среде Влияние длительности предварительной выдержки в среде NaClNaCl (τ, час) (τ, час) на параметры уравнений регрессии образцов из сплавов на параметры уравнений регрессии образцов из сплавов

Д16АТ (1, 2), АК4 – 1АТ1 (3, 4), 1201 (5, 6): Д16АТ (1, 2), АК4 – 1АТ1 (3, 4), 1201 (5, 6): aa — тёмные точки, — тёмные точки, bb — светлые точки — светлые точки

Методика ускоренных испытаний Методика ускоренных испытаний при отнулевых циклах нагруженияпри отнулевых циклах нагружения

• Выполнив усталостные испытания на Выполнив усталостные испытания на одном уровне максимального одном уровне максимального напряжения цикла и вычислив в напряжения цикла и вычислив в соответствии с (4) коэффициент соответствии с (4) коэффициент аа, по , по экспериментально полученной экспериментально полученной зависимости зависимости bb = = ff((aa)) можно определить можно определить параметр параметр b b и записать уравнение и записать уравнение регрессии. регрессии.

Модификации кривых усталости для расчёта долговечности Модификации кривых усталости для расчёта долговечности шассийных балок шассийных балок ((В95пчТ1, В95пчТ1, h c 3h c 3 до до 2020мм)мм)

Усталостная долговечность Усталостная долговечность шассийной балкишассийной балки

• На основании исходной кривой усталости На основании исходной кривой усталости NNpp

= 21 549 программных блоков. = 21 549 программных блоков.

• На основании модифицированных кривых На основании модифицированных кривых усталости усталости NNpp = 10 832 программных блоков.= 10 832 программных блоков.

• Экспериментальное значение Экспериментальное значение NNээ = 8 057 = 8 057 программных блоков.программных блоков.

Ожидаемые результатыОжидаемые результаты

• Выявляемые с помощью методов статистического Выявляемые с помощью методов статистического анализа общие закономерности усталостного разрушения анализа общие закономерности усталостного разрушения позволят:позволят:

• 1.Использовать ускоренную методику усталостных 1.Использовать ускоренную методику усталостных испытаний образцов для оценки ресурса изделий, испытаний образцов для оценки ресурса изделий,

• 2.Осуществлять расчётное прогнозирование усталостной 2.Осуществлять расчётное прогнозирование усталостной долговечности изделий авиационной техники при долговечности изделий авиационной техники при вариации эксплуатационно-технологических и вариации эксплуатационно-технологических и конструктивно-технологических факторов во всём конструктивно-технологических факторов во всём вероятностном диапазоне,вероятностном диапазоне,

• 3.Осуществлять коррекцию базовых кривых усталости для 3.Осуществлять коррекцию базовых кривых усталости для расчётной оценки долговечности высоконагруженных зон расчётной оценки долговечности высоконагруженных зон конструкции при проектировании и разработке ЛА в конструкции при проектировании и разработке ЛА в широком диапазоне эксплуатационных нагрузок.широком диапазоне эксплуатационных нагрузок.

Разработка и исследования Разработка и исследования расчётно-экспериментальных методов прогнозирования расчётно-экспериментальных методов прогнозирования

и обеспечения прочности и ресурса изделий и обеспечения прочности и ресурса изделий авиационной техники при воздействии авиационной техники при воздействии

эксплуатационно-климатических факторовэксплуатационно-климатических факторов

• Необходимость :Необходимость :

1.1. Отсутствие методов определения соответствия (МОС) требованиям Отсутствие методов определения соответствия (МОС) требованиям АП, например, АП-25.571 при доказательстве допустимости АП, например, АП-25.571 при доказательстве допустимости коррозионного повреждения;коррозионного повреждения;

2.2. Требования Руководства по разработке Программ ТОиР Требования Руководства по разработке Программ ТОиР MSG-3 MSG-3 — — установление допустимого уровня коррозии для каждого установление допустимого уровня коррозии для каждого конструктивно-важного элемента;конструктивно-важного элемента;

3.3. Переход на эксплуатацию по состоянию — эффективность Переход на эксплуатацию по состоянию — эффективность эксплуатации по состоянию перед другими формами ТО определяется эксплуатации по состоянию перед другими формами ТО определяется максимальным использованием работоспособности каждого изделия максимальным использованием работоспособности каждого изделия — необходима количественная оценка текущего состояния по — необходима количественная оценка текущего состояния по результатам обследования.результатам обследования.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

1.1. Разработка “меры” для коррозионного повреждения, определяющей Разработка “меры” для коррозионного повреждения, определяющей остаточную прочность и коррозионно-усталостную долговечность остаточную прочность и коррозионно-усталостную долговечность конструкции с коррозией.конструкции с коррозией.

2.2. Определение критериев (мерил оценки) повреждений коррозией конструкций, Определение критериев (мерил оценки) повреждений коррозией конструкций, имеющих конструктивные концентраторы напряжений. имеющих конструктивные концентраторы напряжений.

• Например, сравнение КП и конструкции по равновероятности усталостного разрушения Р(К) = Р (П) = Р:Например, сравнение КП и конструкции по равновероятности усталостного разрушения Р(К) = Р (П) = Р:

• Р(Э) ≈ 2Р при Р Р(Э) ≈ 2Р при Р << 1 << 1 или Р(Э) = 1,75 Р при Р = 0,5. или Р(Э) = 1,75 Р при Р = 0,5.

• Ресурс конструкции с повреждением должен быть сильно снижен.Ресурс конструкции с повреждением должен быть сильно снижен.

3.3. Разработка методов получения характеристик материалов с повреждениями Разработка методов получения характеристик материалов с повреждениями коррозией.коррозией.

4.4. Разработка методов оценки с заданной вероятностью Разработка методов оценки с заданной вероятностью

• а) разрушения зон материала с КП, б) элемента конструкции с а) разрушения зон материала с КП, б) элемента конструкции с конструктивными концентраторами напряжений и КП, в) допустимых по конструктивными концентраторами напряжений и КП, в) допустимых по условию неснижения ресурса размеров КП по условию предварительной условию неснижения ресурса размеров КП по условию предварительной коррозии.коррозии.

• 5. Разработка методов по п.4 при условии одновременного действия 5. Разработка методов по п.4 при условии одновременного действия переменных нагрузок и коррозионно-активной среды.переменных нагрузок и коррозионно-активной среды.

• 6. Исследования кинетики развития КП в различных коррозионно-6. Исследования кинетики развития КП в различных коррозионно-климатических условиях для различных систем покрытий с целью климатических условиях для различных систем покрытий с целью прогнозирования срока службы.прогнозирования срока службы.

Плотности распределения (логарифмов) долговечности образцов Плотности распределения (логарифмов) долговечности образцов с концентратором напряжений и коррозионным повреждениемс концентратором напряжений и коррозионным повреждением

y = lgN MК Мп

ПовреждениеКонцентратор К

Плотностьраспределения(логарифма)долговечности

Примеры коррозионных повреждений натурных конструкцийПримеры коррозионных повреждений натурных конструкций

Поверхностное повреждение типа коррозионной язвы обшивки фюзеляжа Ту-154Б

Повреждение на кромке

Поверхностное повреждение расслаивающей коррозией стенки

стрингера фюзеляжа Ту-154БПовреждение на кромке нижней

полки балки

Модели коррозионных поврежденийМодели коррозионных повреждений

Пример поверхностного повреждения

Поверхностное повреждение Кромочное повреждение

Пример кромочного повреждения

f = F/t2, F — площадь миделя повреждения; t — толщина образца.

Зависимости циклической долговечности сплава В95пчТ2 от определяющего параметра f поверхностной язвы.

Результаты испытаний, кривые регрессии и границы 95%-ных доверительных областей кривых (штриховые линии)

Расчётная схема модели полки лонжерона с повреждением

Результаты испытаний на усталость и кривая усталости

полок со свободным отверстием

σmax,кгс/мм2

N, цикл

Зависимость выборочной дисперсии величины y = lgN от максимального напряжения цикла по результатам испытаний образцов-полок

σmax, кгс/мм2

sh2

y = lgN Mj Yj(f)

ПовреждениеОтверстие

Плотностьраспределения(логарифма)долговечности

Задача №1: допускаемое с вероятностью Р(Я)/Р при вероятности разрушения P повреждение кромки в мм2

F,мм2

Р(Я) P

Р(Я) P

Р(Я) Pσmax= 10 кгс/мм2

σmax= 13,5 кгс/мм2 σmax= 18 кгс/мм2

P= 0,01 P= 0,01

P= 0,01

0,050,05

0,05

0,10,1

0,1

0,5 0,5 0,5

P= 0,01

0,050,1

0,5

y = lgN Mj Yj(f)

y = lgN

Задача №2: долговечность полки с повреждением кромки f при вероятности разрушения P

σmax= 10 кгс/мм2

σmax= 13,5 кгс/мм2 σmax= 18 кгс/мм2

f f

N,цикл

N,цикл

N,цикл

P = 0,5

P = 0,5

P = 0,5

0,1

0,1

0,1

0,05

0,05

0,05

0,01

0,01

0,01

N, цикл

σ, кг/мм2

σ1

σ2

Квантильные кривые регрессии Квантильная кривая усталости

max,

кгс/мм2

15

10

104 105 106

N, циклы P = 0,5 P = 0,1 P = 0,01

Кривые усталости сплава с поверхностными язвами размеромf = 0,1, 1,0 и 5,0 для вероятностей разрушения P = 0,5. 0,1 и 0,01

N•σm = C

f

N,цикл

Y(1, f, P, Pc)

Y(2, f, P, Pc)

N,цикл

105

104

0,01 0,1 1 10 f○ max = 10 кгс/мм2

max = 13,5 кгс/мм2 □ max = 18 кгс/мм2

P = 0,5 P = 0,1 P = 0,01

Рисунок 4.15 Результаты испытаний и кривые зависимости циклической долговечности сплава от параметра f поверхностной язвы при уровнях напряжений max = 10, 13,5 и 18 кгс/мм2 для вероятностей разрушения 0,5; 0,1 и 0,01. Нижние

границы для вероятностей 0,1 и 0,01 определены с доверительной вероятностью 0,95

Модельный образец из листовых алюминиев сплавов Д16АТ и 1163АТ:исходный – δ = 4,0 мм,

после двухстороннего размерного химического травления – δ = 2,5 мм (РХТ),после двухстороннего размерного химического травления с образованием односторонней бонки

и с последующим упрочнением локальным пластическим деформированием – δ = 2,5 мм (РХТ + У).

Внешний вид образцаВнешний вид образца

Изготовление образцаИзготовление образца

Определение синергетических зон с положительным эффектом Определение синергетических зон с положительным эффектом при многомерном нагружении авиаконструкцийпри многомерном нагружении авиаконструкций

• Синергетическая зона образцов с отверстиемСинергетическая зона образцов с отверстием

УсталостнаяУсталостная долговечность долговечность образцов с вырезамиобразцов с вырезами

Усталостная диаграмма образцов с вырезами

10000

100000

1000000

10000000

1 2 3

виды вырезов

до

лго

веч

но

сть

N, ц

икл

ов

1 тип

2 тип

3 тип

4 тип

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

1400000

1 2 3

1 тип

2 тип

3 тип

4 тип

Относительное упрочнениеОтносительное упрочнениеОтносительное упрочнение

0,100

1,000

10,000

100,000

1 2 3

тип упрочнения

во

ско

ль

ко р

аз и

змен

ил

ась

до

лго

веч

но

сть

1 тип

2 тип

3 тип

4 тип

Относительное упрочнение

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

1 2 3

тип упрочнения

во

ско

ль

ко р

аз и

змен

ил

ась

до

лго

веч

но

сть

1 тип

2 тип

3 тип

4 тип

Свободный Свободный вырезвырез

δ = 6,0 мм Рн = 2200 кГсδ = 6,0 мм Рн = 2200 кГссо смазкойсо смазкой

Актуальность и ожидаемые результатыАктуальность и ожидаемые результаты• Соответствие целей и задач НИР директивам Федеральной целевой Соответствие целей и задач НИР директивам Федеральной целевой

программы «Развитие гражданской авиационной техники России на программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» по обеспечению для 2002-2010 годы и на период до 2015 года» по обеспечению для самолетов нового поколения снижения веса силовой конструкции самолетов нового поколения снижения веса силовой конструкции на 10…20 % и увеличение ресурса в 2…3 раза и проектного ресурса на 10…20 % и увеличение ресурса в 2…3 раза и проектного ресурса среднемагистральных самолётов до 90 … 100 тысяч лётных часов.среднемагистральных самолётов до 90 … 100 тысяч лётных часов.

1.1. Сокращение стоимости, объёмов и сроков лабораторных испытаний в Сокращение стоимости, объёмов и сроков лабораторных испытаний в 3…5 раз, натурных испытаний – до 2 раз. 3…5 раз, натурных испытаний – до 2 раз.

2.2. Повышение достоверности результатов (снижение погрешности) Повышение достоверности результатов (снижение погрешности) расчётов общих и остаточных показателей сопротивления усталости расчётов общих и остаточных показателей сопротивления усталости образцов материалов и долговечности конструкций в 2…4 раза во образцов материалов и долговечности конструкций в 2…4 раза во всём исследуемом диапазоне конструктивно-технологических и всём исследуемом диапазоне конструктивно-технологических и эксплуатационно-климатических воздействий.эксплуатационно-климатических воздействий.

• Результаты работы могут быть использованы при проведении работ по Результаты работы могут быть использованы при проведении работ по оценке ресурса планера самолётов оценке ресурса планера самолётов SSJSSJ, МС-21, 2020, СДС, воздушных , МС-21, 2020, СДС, воздушных судов малой авиации. судов малой авиации.

Спасибо за внимание!Спасибо за внимание!