CC BY
70
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС
УДК 629.7.015.4:539.43
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ МАТЕРИАЛА Д16АТВ В РАЗНЫХ ИСХОДНЫХ СОСТОЯНИЯХ
В.М. БАЙКОВ, В.В. КАШИРИН, А.С. КОВАЛЕВСКИЙ, А.В. ЛАПАЕВ,
Ю.М. ФЕЙГЕНБАУМ, В.С. ШАПКИН
В статье приведены результаты оценки усталостной долговечности листового материала Д16АТВ с эксплуатационной наработкой и со склада. Получены значения эффективного коэффициента концентрации напряжений для продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 с наработкой в эксплуатации.
Ключевые слова: усталостная долговечность, материал Д16АТВ, продольный заклепочный стык обшивки фюзеляжа, статистическая обработка результатов испытаний
Значительная часть эксплуатирующихся в РФ воздушных судов по международной терминологии относится к категории ’’стареющих”, т.е. имеющих наработку и сроки службы за пределами своих проектных значений. Средний возраст региональных пассажирских самолетов на сентябрь 2008 г. составлял около 30.5 лет, а магистральных - 17.5 лет. При этом, в целом, более 70% парка эксплуатируется уже более 15 лет. К ’стареющим” отечественным самолетам относятся такие типы ВС, как Ту-134, Ан-24, Як-40, Ту-154 и др.
Одним из важных элементов действующей в РФ системы обеспечения безопасности эксплуатации таких ВС является оценка влияния эксплуатационных наработок и длительных сроков службы на характеристики долговечности конструкции. Такие исследования включают в себя как полномасштабные ресурсные испытания самолетов с наработкой, так и испытания отдельных конструктивных элементов, вырезанных из конструкции списанных по тем или иным причинам самолетов.
В данной статье представлены результаты экспериментальной оценки влияния временных и эксплуатационных факторов на долговечность обшивки фюзеляжа (материал Д16АТВ) и продольного заклепочного стыка фюзеляжа самолета Ту-154 с наработкой 44677 л. ч, 14888 полетов в течение 24 лет с начала эксплуатации. (Проектный ресурс и срок службы самолета Ту-154 составляет 30000 л. ч, 15000 полетов, 15 календарных лет. Дальнейшее увеличение назначенных ресурсов и сроков службы самолетов Ту-154 выполняются только в индивидуальном (для каждого самолета) порядке.
Материал, образцы для испытаний, оборудование
Исследование усталостной долговечности листового материала обшивки фюзеляжа Д16АТВ с эксплуатационной наработкой проводилось на образцах типа "полоса с отверстием", изготовленных из фрагментов обшивок, вырезанных из различных зон герметичной части фюзеляжа. Аналогичные образцы были изготовлены из листового материала той же марки, взятого со склада.
Перечень групп образцов для испытаний представлен в табл. 1. Образцы изготовлены в соответствии с ГОСТ 25.502-79.
Исследование усталостной долговечности продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа проводилось на образцах (рис. 1), изготовленных из панели фюзеляжа, вырезанной в районе стр. 10 шп. 35-36.
Образцы представляли собой 4-рядный заклепочный стык внахлест обшивок фюзеляжа с шагом заклепок 30, 15, 15, 30 (мм) в кильватер. Между листами обшивки присутствовала прокладка. Заклепки йзакл. =4 мм с потайной головкой с внешней стороны обшивки фюзеляжа.
Полученные характеристики усталостной долговечности продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета с эксплуатационной наработкой сравнивались с данными КБ, используемыми при установлении ресурсов и сроков службы.
Таблица 1
Перечень групп образцов для испытаний
Номер группы образцов Количество образцов в группе Зона фюзеляжа самолета для изготовления образцов Образцы, материал
Группа образцов №1 11 стр. 19 , шп. 58-59 Д16АТВ л 2,8 мм (Д)*
Группа образцов №2 11 стр. 10, шп. 35-36 Д16АТВ л 1,7 мм (Д)
Группа образцов №3 15 стр. 0 шп. 15-16 Д16АТВ л 1,1 мм (П)
Группа образцов №4 1б Лист Д16АТВ взят со склада Д16АТВ л 1,4 мм (П)
Группа образцов №5 3 стр. 10, шп. 35-36 Продольный заклепочный стык обшивки фюзеляжа; Материал обшивки Д16АТВ
*Примечание: Д16АТВ - марка материала; л (лист) - полуфабрикат; 2,8 мм - толщина полуфабриката; (Д) -направление проката / (Д) - вдоль проката; (П) - поперек проката.
Сеч. 1
Сеч. 2 Сеч. 3 Сеч. 4
Рис.1. Внешний вид группы образцов № 5
Все испытания проводились в испытательной лаборатории ОНИЛ-15 при МГТУ ГА на испытательной машине MTS при отнулевом цикле нагружения на воздухе. Частота циклического нагружения 5 Гц.
По результатам испытаний проведен статистический анализ и построены кривые усталостной долговечности. Построение регрессионных кривых усталостной долговечности и 95%-е доверительные области строились по методике, представленной в литературе [1].
Результаты испытаний образцов типа полосы с отверстием (ПО)
Полученные при обработке первичных результатов испытаний оценки усталостной долговечности образцов типа ПО подвергались статистической обработке. Предполагалось, что распределение характеристик усталостной долговечности в их первоначальном виде или после преобразований является нормальным. Для нормально распределенной генеральной совокупности оценки среднего значения и дисперсии являются состоятельными, эффективными и несмещенными.
Кривая усталостной долговечности для обшивки фюзеляжа с эксплуатационной наработкой строилась по результатам испытаний групп образцов №№1-3.
Кривая усталостной долговечности для листового материала Д16АТВ без наработки (взятого со склада) строилась по результатам испытаний группы образцов №4.
По построенным зависимостям будем судить о возможном изменении характеристики усталостной долговечности материала обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 от нагрузок типового полета (рис. 2). Дополнительными линиями представлены 95 %-е доверительные области для кривых усталостной долговечности.
9j 'iiv.-B дчвршь ini да Tjuh дл I yiTтггг
x-iHi т-TftTTi Щ С AIE, шеи 1.+ жх Г Ел
ПО B/G=f5?d=5 ипт,
Т..'Ь.1-нргг:ш: Д] 6 АТЕ, и 1Д- 2 £ мл ^ Д, Щ 5 Г1*, [с та раба1 той)
i>:10+ I^IP3 1уЮ(
N, циклов до разрушения
Рис. 2. Кривые усталостной долговечности для образцов, изготовленных из обшивки фюзеляжа с эксплуатационной наработкой и образцов, изготовленных из листового материала, взятого со склада
Для представленных экспериментальных зависимостей проведено сравнение их линий регрессии с проверкой нулевой гипотезы об отсутствии различий между ними. Результаты включают значения t-статистики (Стьюдента) с уровнем значимости 0,05 для двух гипотез: о равенстве угловых коэффициентов регрессий и об отсутствии сдвига между ними. Если P>0,05, соответствующая нулевая гипотеза может быть принята. Анализ проведен с использованием статистической диалоговой системы STADIA (лицензия № 1433) [2].
Сравнение двух регрессий, представленных на рис. 2:
t (параллельность)=0,7153. 3начимость=0,5153, степ. своб. = 49;
Гипотеза 0: <Нет различий между коэффициентами наклона>; t (равенство средних)=1,943. Значимость=0,05477, степ. своб. = 49;
Гипотеза 0: <Нет различий в положении регрессионных прямых>.
Сравнение кривой усталостной долговечности образцов, изготовленных из конструкционного листового материала марки Д16АТВ, взятого со склада и кривой усталостной долговечности, полученной по результатам усталостных испытаний образцов, изготовленных из обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 с эксплуатационной наработкой, показало:
- кривая усталостной долговечности для образцов, изготовленных из обшивки фюзеляжа самолета Ту-154 с эксплуатационной наработкой, лежит ниже кривой усталостной долговечности для образцов, изготовленных из конструкционного листового материала марки Д16АТВ, взятого со склада;
- 95%-е доверительные области, рассматриваемых кривых усталостной долговечности. имеют общую область;
- отсутствие различий между коэффициентами наклона и положением регрессионных линий говорит о том, что рассматриваемые линии регрессии близки друг к другу. Это означает, что изменение усталостной долговечности в процессе эксплуатационной наработки не является статистически значимым по сравнению с усталостной долговечностью материала со склада;
- наибольшее рассеивание усталостной долговечности наблюдается при низких уровнях нагружения образцов.
На рис. 3 приведена кривая усталостной долговечности для материала Д16АТВ, построенная по данным КБ. Из рисунка видно, что эта кривая лежит в 95 %-й доверительной области для кривой усталостной долговечности образцов, изготовленных из конструкционного листового материала марки Д16АТВ, взятого со склада. Это может свидетельствовать об отсутствии деградации характеристик долговечности материала при хранении. Принимая это допущение, мы будем судить об изменении усталостной долговечности материала обшивки фюзеляжа самолета с большой наработкой только за счет эксплуатационных факторов.
Уг и д. дь рд ьтттіттіХі ірл^ицущш: жіі ь-ртт. Д1 і А ТЕ. шеі 1,4 ж ж іТГі
П О Е Я=6 , ■!= 5 Т.ТТ.Т,
Материал: ДІОАТЕ, п 2 -4 т.и.т і" Щ; Е=0^ О Д7 Г!ц [гго дшьшг.т КБ)
__________________________________І і і і і і і і і і і і 1________________________________________
10* 1>:] Гг-1 1к]о‘
К, циклов до разрушения
Рис. 3. Кривая усталостной долговечности для образцов, изготовленных из листового материала, взятого со склада и кривой усталостной долговечности по данным КБ
Для образцов, изготовленных из обшивки фюзеляжа с эксплуатационной наработкой и образцов из листового материала Д16АТВ, взятого со склада, для уровней напряжений обрутгошах =100, 135, 175 МПа по результатам статистической обработки построены графики плотности
вероятности логарифма долговечности до разрушения. В случае, если среднеквадратическое отклонение превышало принятое обобщенное значение типового рассеивания усталостной долговечности до разрушения, то в соответствии с работой [3] данной выборке присваивалось значение рассеивания логарифма усталостной долговечности, равное 0,15 (рис. 4-6).
Рис. 5. абру™х=135 МПа
Рис. 6. о^^тах=175 МПа
По результатам испытаний средние значения долговечности для материала с наработкой ниже средних значений долговечности для нового материала. Разница составляет:
- для обруттоШах=100 МПа - в 1,58 раз;
- для обруттоШах=135 МПа - в 1,12 раз;
- для обруттоШах=175 МПа - в 1,29 раз.
Однако анализ результатов испытаний
показал, что долговечность материала обшивки фюзеляжа с эксплуатационной наработкой находится в области разброса характеристик долговечности для материала взятого со склада (рис. 4-6).
В любом случае остаточная долговечность в области обруттошах =100 МПа (наиболее близкой к эксплуатационной) достаточно ве-
лика и позволяет говорить о возможной безопасной эксплуатации (с учетом требуемых коэффициентов надежности) в пределах еще как минимум одного проектного ресурса.
Результаты испытаний образцов продольного фюзеляжа самолета типа Ту-154
заклепочного стыка обшивки
В процессе испытаний были получены значения усталостной долговечности образцов продольного заклепочного стыка внахлест. Предполагалось, что закон распределения величины усталостной долговечности является логнормальным. Зона разрушения для всех образцов проходила по сечению №4 (рис. 1).
Кривая усталостной долговечности для продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа строилась по результатам испытаний 3 образцов с параметром т, взятым у кривой усталостной долговечности для образца типа полосы с центральным отверстием (рис. 7).
03
С
К, циклов до разрушения
Рис. 7. Кривые усталостной долговечности для образцов типа полосы с отверстием, изготовленных из обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 с эксплуатационной наработкой и образцов продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 с эксплуатационной наработкой
На рис. 8 представлена кривая усталостной долговечности для образцов продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 без эксплуатационной наработки, построенная по данным КБ, и базовая кривая усталости для образцов типа полосы с отверстием, также построенная по данным КБ (см. рис. 3).
а
С
К, циклов до разрушения Рис. 8. Кривые усталостной долговечности:
- для образцов типа полосы с отверстием без эксплуатационной наработки, по данным КБ;
- для образцов продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 без эксплуатационной наработки по данным КБ
Для оценки конструктивно-технологического качества продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 с эксплуатационной наработкой рассчитан эффективный коэффициент концентрации напряжений Кэф = 3 обр , где аобр, аэл - напряжения для
°эл
полосы с центральным отверстием с параметрами Б/ё=6 и элемента конструкции - "продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа" на базе 105 циклов соответственно.
Для сложных составных элементов конструкций Кэф отражает не только геометрическую
концентрацию напряжений, но и условия взаимодействия деталей элемента, возможную различную нагруженность деталей в элементе, свойства материала, нереализуемые в базовом образце, а также неучтенные напряжения из-за эксцентриситетов, деформации крепежа и других факторов взаимодействия деталей в элементе. В табл. 2 представлены значения Кэф для продольного заклепочного стыка с эксплуатационной наработкой и без эксплуатационной наработки.
Таблица 2
Значения Кэф для продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа
Номер группы образцов К эф Примечание
5 4,27 Количество образцов 3 шт. с эксплуатационной наработкой
По кривым, представленным на рис. 8 3,97 Количество образцов 17 шт. без эксплуатационной наработки
Таким образом, по результатам анализа комплекса усталостных испытаний можно утверждать, что эффективный коэффициент концентрации напряжений для образцов продольных заклепочных стыков, изготовленных из панели обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154 после длительной наработки в эксплуатации не значительно отличается от значения Кэф, полученного по данным КБ для образцов продольных заклепочных стыков без наработки. То есть эксплуатационная наработка и срок службы ВС не повлияли значимо на концентрацию напряжений в продольном стыке обшивки фюзеляжа.
Малое количество образцов продольного стыка не позволяет провести исчерпывающий сравнительный анализ полученных характеристик долговечности стыка обшивок с наработкой и исходной конструкции. Однако полученные оценки позволяют, тем не менее, констатировать, что остаточная долговечность стыка с наработкой на эксплуатационном уровне напряжений (менее 100 МПа) достаточно высока и позволяет говорить о возможной безопасной эксплуатации еще в пределах как минимум 10000-15000 полетов (с учетом требуемых Нормами запасов).
Выводы
Получены характеристики усталостной долговечности для образцов типа полосы с центральным отверстием и образцов продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа длительно эксплуатируемого самолета типа Ту-154. С использованием статистических методов обработки результатов испытаний проведен сравнительный анализ, позволяющий судить о влиянии эксплуатационной наработки на характеристики усталостной долговечности материала обшивки фюзеляжа самолета и продольного заклепочного стыка обшивки фюзеляжа самолета типа Ту-154.
Результаты испытания образцов, изготовленных из фрагментов конструкции фюзеляжа самолета с наработкой СНЭ 44677 л. ч, 14888 полетов и сроком службы 24 года, свидетельству-
ют о высоких характеристиках её остаточной (неизрасходованной) долговечности, что подтверждает возможность эксплуатации самолетов данного типа в пределах наработок, значительно превышающих проектные ресурсы и сроки службы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вентцель Е.С. Теория вероятностей — М.: Высшая школа, 1998. — 576 с.
2. Кулаичев А.П. Методы и средства комплексного анализа данных. - 4-е изд., перераб. и доп. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. — 512 с.
3. Райхер В. Л. Рассеяние усталостной долговечности: Текст лекций. — М.: ЛАТМЭС, 2003. — 224 с.
PRACTICAL EVENT OF EXPERIMENTAL RESEARCH DESCRIPTIONS OF FATIGUE ELEMENTS CONSTRUCTS OF MATERIAL D16AT AT DIFFERENT INITIAL CONDITION
Baykov V.M., Kashirin V.V., Kovalevsky A.S., Lapaev A.V., Feygenbaum Y.M., Shapkin V.S.
The article deals with the results of fatigue's assessment of material D16AT with operational lifelength on a stage of delivery from the factory origin. The stress concentration's effective coefficient of longitudinal lap-joint skin fuselage with rivets aircraft is adduced.
Сведения об авторах
Байков Вячеслав Михайлович, 1966 г.р., окончил МГИ (1976), кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОНИЛ-15 МГТУ ГА, автор более 50 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика и прочность летательных аппаратов.
Каширин Виктор Васильевич, 1948 г.р., окончил НЭТИ (1971), ведущий специалист ОАО "Туполев", область научных интересов - характеристики материалов, применяемых в основных силовых элементах конструкции самолета, экспериментальная отработка конструкции на конструктивных образцах и панелях.
Ковалевский Александр Сергеевич, 1939 г.р., окончил МАТИ (1970), заведующий ОНИЛ-15 МГТУ ГА, автор более 25 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика и прочность летательных аппаратов.
Лапаев Артем Валерьевич, 1977 г.р., окончил НГТУ (2000), кандидат технических наук, научный сотрудник СибНИА им. С.А. Чаплыгина, автор 26 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, динамика и прочность летательных аппаратов.
Шапкин Василий Сергеевич, 1961 г.р., окончил МИИГА (1984), доктор технических наук, профессор кафедры АКПЛА МГТУ ГА, генеральный директор ФГУП ГосНИИ ГА, эксперт Федеральной службы по надзору в сфере транспорта Минтранса России и Межгосударственного авиационного комитета, автор более 170 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
Фейгенбаум Юрий Моисеевич, 1950 г.р., окончил МАИ (1974), 1-й Вице-президент - исполнительный директор ОАО "Туполев", область научных интересов - прочность летательных аппаратов и эксплуатация воздушного транспорта.
