РОЛЬ СТРУКТУР МПКМ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ВИБРОУСТАЛОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГТД

Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2017-0-1-7-7
УДК 669.018.95
РОЛЬ СТРУКТУР МПКМ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ВИБРОУСТАЛОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГТД

В ходе эксплуатации реверса двигателя Д18Т выявлено 32 случая разрушения обшивок из сплава Д16 подвижного корпуса реверсивного устройства РУ-18Т. Для повышения ресурса данного агрегата необходимо в качестве материала обшивки внутреннего тракта (типа «корона») использовать металлополимерный материал Алор Д16/41. Для производственного внедрения металлополимерного материала Алор Д16/41 в состав конструкций самолета проведены технологические исследования его свойств. Исследования показали, что способность слоистых металлополимерных композиционных материалов (МПКМ) к формоизменениям зависит от схемы армирования волокон относительно направления деформирования. Отработаны также все известные технологические процессы формообразования деталей. В связи с тем, что агрегаты реверса в процессе эксплуатации подвергаются виброакустическим нагрузкам, проведены исследования по их звукоизоляции. Использование в качестве материала обшивки мотогондолы Алора Д16/41 позволило снизить массу данной конструкции на 10% и значительно повысить ее виброусталостные характеристики.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и тех-нологий их переработки на период до 2030 года») 

Ключевые слова: реверс двигателя, усталостное разрушение, Алор Д16/41, обшивка мотогондолы, reverser, fatigue failure, Alor D16/41, skin of engine nacelle.

Введение

Анализ развития науки и технологий за рубежом показывает, что в мире активно развиваются и продолжат свое развитие в будущем [1–3] различные виды композиционных материалов с улучшенными служебными характеристиками. Одним из видов таких материалов являются металлополимерные композиционные материалы (МПКМ), которые представляют собой промежуточное звено между металлическими сплавами и полимерными композиционными материалами (ПКМ), успешно сочетающие в себе положительные технологические свойства металлов (деформируемость традиционными способами) и ПКМ (низкая плотность, высокая виброакустическая прочность, низкая скорость роста усталостных трещин (СРТУ) и т. п.) [4–6].

В России и за рубежом исследуются области применения МПКМ, позволяющие реализовать их преимущества в МЦУ, СРТУ, демпфирующей способности, огнестойкости, камне- и птицестойкости, весовой эффективности и взрывозащитных свойствах. Для особо ответственных элементов из МПКМ могут быть использованы встроенные в структуру сенсоры, контролирующие их техническое состояние в процессе эксплуатации. Перспективно также применение МПКМ для ремонта конструктивных элементов двигательных установок и планера с демпфированием внешних нагрузок, действующих на них.

 

Материалы и методы

В зависимости от используемых в составе МПКМ материалов они могут быть классифицированы (рис. 1). Основные сравнительные характеристики материалов обшивок приведены в табл. 1.

 

 

Рис. 1. Классификация металлополимерных композиционных материалов

Таблица 1

Материалы для обшивок, работающих в зонах виброакустических воздействий

Материалы

σв

σ02

Е,

ГПа

ε,

%

МЦУ*

СРТУ**

Плотность

d,

г/см3

Удельная

прочность

σ/d, км (усл. ед.)/

cнижение массы, %

Относительная стоимость

МПа

Сплав

Д16ч.-АТВ1

430–450

270–290

69–70

13

60–80

6

2,78

15,5/0

1

Алюминий-литиевые сплавы

400–430

250–270

68–139

10

40–60

2,47

16,2/10

3–5

Дублированная обшивка из сплава Д16ч.-АТВ на клее ВК-25

430–450

270–290

69–70

<2,78

>15,5/0

11,6

Алор Д16/41

430–480

270–320

58–62

3–5

80–100

0,2–0,4

2,3

19,5/14

19,5

ARALL-2

760

590

62

2,2–2,5

До 103

0,0025

2,35

32,3/13

10

СИАЛ-1

650–700

250–300

55–58

4–5

250–300

0,1–0,3

2,45

27,3/11

12–16

GLARE-1

1000–1280

550–800

58–60

4–5

2,45

46,9/25

7–10

Стеклопластик

670

27

3–5

14,5–20

1,8

31,6/(10–15)

16

Органит 7Т

700

33

3–5

29–37

1,4

50/(20–30)

22–25

Углепластик

680–1100

120

0,4–0,5

37–53

1,35

(50,9–81,5)/(30–40)

20–30

  * N, кцикл (при σmax=160 МПа).

** dl/dN, мм/кцикл (при DK=31 МПа

 

Сопротивление развитию усталостных трещин у МПКМ выше, чем у металлов. Это объясняется арочным эффектом армирующих волокон, которые сдерживают развитие повреждений и снижают интенсивность напряжений в алюминиевых слоях в зоне вершины микротрещины. Совместное действие высокопрочных армирующих волокон, соединенных с металлическими слоями (через клеевой слой матрицы), и соседних неповрежденных слоев металла приводит к замедлению роста в длину микротрещин и их остановке без ремонта. Разработанные материалы обеспечивают высокие точность и надежность работы систем, длительный ресурс аппаратуры в условиях криогенных и повышенных температур, агрессивных рабочих сред и являются незаменимыми конструкционными материалами для существующих и перспективных изделий авиационной и космической техники [6].

Исследования показали, что при формировании материала в металлических слоях возникают растягивающие напряжения, что не всегда целесообразно, особенно в случае применения такого материала в конструкциях, работающих при растягивающих эксплуатационных нагрузках. В связи с этим в процессе формования, при использовании дополнительных растягивающих нагрузок, приложенных ко всему пакету слоев или только к слоям из композиционного материала МПКМ, в слоях металла можно создать необходимый уровень сжимающих напряжений. Знание величины поверхностных напряжений весьма существенно для определения вероятной долговечности материалов и их сопротивляемости коррозии.

Для оценки уровня остаточных напряжений используется метод рентгеноструктурного анализа напряжений, основанный на изучении дифракционной стоячей волны большой интенсивности при различных углах падения рентгеновских лучей на поверхность металла [7, 8].

 

Результаты и обсуждение

Проведенные исследования показали наличие сжимающих напряжений на поверхности металлического слоя из сплава Д16ч.-АТВ, возникающих на стадии его изготовления, уровень напряжений составляет 30–60 МПа. Использование предварительного растяжения слоев МПКМ приводит к уменьшению уровня сжимающих напряжений в направлении вытяжки и увеличению уровня растягивающих напряжений (рис. 2) [9].

Исследования внутренних напряжений показывают различия их уровня и распределения по толщине слоев сплава Д16ч.-АТВ с тенденцией сдвига в область растягивающих напряжений – от исходного листа к растянутой структуре.

Рис. 2. Распределение внутренних напряжений по толщине листа из сплава Д16ч.-АТВ (а) и в материале Алор Д16/41 с нерастянутой структурой Органита (б) и растянутой на 25% от разрушающей деформации структурой Органита (в)

 

Растягивающие остаточные напряжения в поверхностных алюминиевых листах приводят к преждевременному их разрушению при усталостном нагружении, а также к снижению сопротивления композита малым пластическим деформациям при статическом растяжении. Поэтому для увеличения ресурсных характеристик Алора важным вопросом в выборе технологии его изготовления является оптимизация напряженного состояния компонентов, а именно: создание в алюминиевых листах сжимающих, а в слоях органопластика – растягивающих остаточных напряжений [10, 11]. Для этой цели используются следующие технологические способы (рис. 3 и 4):

– растяжение отвержденных листов – этот способ заключается в перераспределении остаточных термических напряжений в готовом листе Алора путем его растяжения до уровня деформаций, превышающих предел текучести алюминиевого листа;

– отверждение в напряженном состоянии – способ состоит в создании требуемого уровня и знака остаточных напряжений в компонентах при отверждении листов Алора, что осуществляется формованием металлоорганопластика в напряженном состоянии, когда слои органопластика при отверждении подвергаются технологическим растягивающим нагрузкам – практически путем растяжения препрега специальными приспособлениями при подготовке пакета к формованию; величина натяжения выбирается с учетом релаксационных процессов, проходящих в полимерном волокне и связующем в процессе отверждения;

– изготовление плоских листов методом намотки – этот способ состоит в создании требуемого уровня и знака остаточных напряжений путем натяжения армирующего наполнителя при намотке его на плоскую оправку.

 

 

Рис. 3. Схемы отверждения алора в напряженном состоянии

 

 

Рис. 4. Схема изготовления Алора методом намотки

 

Приведенные схемы позволили подтвердить ранее сделанный вывод, что увеличение напряжений в слоях Органита при формовании МПКМ позволяет снизить уровень сжимающих остаточных напряжений в слоях алюминия с 25 до 9 МПа.

Проведенные технологические исследования показали, что способность слоистых МПКМ к формоизменению зависит от схемы армирования волокон относительно направления деформирования. Так, у однонаправленных МПКМ при гибке вдоль оси армирования получают минимальные радиусы изгиба и углы пружинения. Необходимо отметить, что на производимых листовых заготовках МПКМ отработаны все общеизвестные технологические процессы формообразования деталей: гибка, гибка-прокатка, стесненный изгиб, штамповка на прессе, штамповка эластичной средой, обтяжка деталей одинарной и двойной кривизны и т. д. При этом получены следующие параметры: допустимый относительный радиус изгиба  (при стесненном изгибе – R≥1, коэффициентах выдавки Kвыд≤8% и обтяжки Kобт≤1,02–1,025). В связи с ограниченными возможностями обтяжки Алоров разработаны специальные методы и приемы с учетом пружинения детали в обтяжной оснастке. Если деталь имеет сложную геометрическую форму и не может быть изготовлена по традиционным технологиям для металлов, то для этого случая разработана новая технология «раздельного» формования, когда из отдельных слоев изготавливают элементы детали, а затем они формируются в специальной оснастке в прессе или автоклаве.

При эксплуатации агрегата реверса двигателя Д18Т на самолетах Ан-124 установлено 32 случая разрушения внутренних обшивок подвижного корпуса реверсивного устройства РУ-18Т. разрушения происходили при налете с начала эксплуатации агрегата от 22 до 615 ч. Характер разрушений – усталостный. Трещины обшивок и подкрепляющих их окантовок в районе вырезов под створки имеют длину от 8 до 100 мм, в отдельных случаях имеются вырывы заклепок и кусков обшивки, характерные для акустического разрушения конструкций. Разрушения концентрируются в районе расположения на мотогондоле воздухозаборника СПВ. Для изучения характера нагружения проведены исследования агрегата в комплекте с мотогондолой на стенде с определением интенсивности звукового нагружения и динамических напряжений в зонах разрушения [12]. Установлено, что при уровне шума до 160 дБ создаются напряжения до 56 МПа (в отдельных случаях – до 90 МПа) в диапазоне частот 220–380 Гц, что и обуславливает низкую долговечность обшивок и других элементов из алюминиевых сплавов. По результатам опыта эксплуатации и исследований приняты меры по уменьшению шума с помощью введения перфорированной перегородки воздухозаборника СПВ и снижению рабочих напряжений путем увеличения толщины материала обшивок и окантовок до 1,5 мм.

Для увеличения жесткости внутреннего набора введены проставки между полками окантовок. Заклепочные соединения с потайными головками заменены на соединения с полукруглыми головками. В результате этих изменений уровень шума снижен до 156 дБ, а напряжения – до 40–45 МПа. Повышение ресурса агрегата и разработка модификаций двигателя Д18Т с увеличенной тягой связаны с применением обшивок из Алор Д16/41 с учетом опыта эксплуатации конструкций из МПКМ [13, 14].

 

Рис. 5. Обшивки внутреннего тракта (а) и мотогoндолы (б) из материала Алор Д16/41

 

Для подвижного корпуса реверса двигателя предусматривается введение только обшивок внутреннего тракта (типа «корона») (рис. 5) из Алор Д16/41 с расчетной толщиной 1,5 мм. Одновременно учитываются возможности по повышению надежности, обеспечению ремонтопригодности и увеличению ресурса реверсивного устройства РУ-18Т двигателя Д18Т на самолетах Ан-124. ожидаемое снижение массы обшивок 8–10%, увеличение трудоемкости – на величину изготовления заготовок МПКМ (~50 нормо-час/изд.), прогнозируемый ресурс может быть установлен только после наземных испытаний с определением звуковых нагрузок и тензометрированием.

Поскольку агрегаты реверса нагружены виброакустически, то проведены дополнительные исследования по оценке их звукоизоляции для случая применения МПКМ. Испытания проводили на установке «Шум-1М30» при исходном уровне звукового давления 105 дБ. Результаты приведены в табл. 2.

 

Таблица 2

Звукоизоляционные свойства металлополимерного композиционного материала

Материал, толщина

Снижение шума, дБ, при частоте октавных полос, Гц

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Алор Д16/41 (3 слоя), h=1,5 мм

1

2,5

1

5

10

3

32

29

Алор Д16/41 (3 слоя), деформированный на 2%, h=1,3 мм

6,5

4

4,5

2,5

6,5

6,8

22

32

СИАЛ-1н однонаправленный (5 слоев), h=1,4 мм

2

3

1

1

9

5,7

31

28,5

 

Кроме того, анализ эксплуатации двигателя Д18Т показывает, что на реверсивном устройстве и носках воздухозаборника отмечаются частые повреждения не только вследствие виброакустических воздействий. Имеются случаи разрушения листовых элементов мотогондолы от газовой коррозии в зоне выхлопа и усталостно-коррозионные повреждения элементов планера в зоне установки ВСУ [15]. Поэтому проведенные виброакустические усталостные испытания МПКМ после коррозионных испытаний показали их более высокую надежность по сравнению с обычными алюминиевыми сплавами.

 

Заключения

В результате исследований МПКМ разработана технология изготовления обшивок внутреннего тракта реверсивного устройства РУ-18Т и обшивок мотогондолы самолета Ан-124-100 из готового листа Алор Д16/41. Кроме того, преимущества МПКМ убедительно доказаны опытом шестилетней эксплуатации носовой части крыла самолета АН-124-100, работающей в зонах высоких виброакустических воздействий.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение в ХХI веке. Перспективы и задачи // Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2002: юбилейный науч.-технич. сб. М.: МИСИС–ВИАМ, 2002. С. 23–47.
3. Каблов Е.Н. Контроль качества материалов – гарантия безопасности эксплуатации авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2001. №1. С. 3–8.
4. Постнова М.В., Казаков И.А. Металлополимерные композиционные материалы – свойства, технология формования, области применения // Слоистые композиционные материалы. 2001. С. 187–188.
5. Антипов В.В. Металлические материалы нового поколения для планера перспективных изделий авиационно-космической техники // Новости материаловедения. Наука и техника: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №4. Ст. 02. URL: http://www.materialsnews.ru (дата обращения: 08.06.2016).
6. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В., Шестов В.В. Конструкционные слоистые материалы СИАЛ // Клеи. Гарметики.Технологии. 2012. №6. С. 41–49.
7. Деев И.С., Каблов Е.Н., Кобец Л.П., Чурсова Л.В. Исследование методом сканирующей электронной микроскопии деформации микрофазовой структуры полимерных матриц при механическом нагружении // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №7. Ст. 06. URL:http://www.viam-works.ru (дата обращения: 08.06.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-7-6-6.
8. Уманский Я.С. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982. 289 с.
9. Мясников Ю.Г. Рентгеновские дифрактометры для исследования и контроля напряженно-деформированных материалов // Заводская лаборатория. 1985. №7. С. 21–26.
10. Постнов В.И., Постнова М.В., Арлашкина О.Ю. Исследование влияния напряженно-деформированного состояния на усталостные характеристики МПКМ // Сб. матер. Междунар. науч. конф. «Новые перспективные материалы и технологии их получения–2010». Волгоград: ВолГТУ, 2010. С. 183–185.
11. Постнов В.И., Постнова М.В., Арлашкина О.Ю. Исследование влияния технологических факторов на уровень остаточных напряжений в МПКМ обшивок реверса Д18Т // Вестник СГАУ им. С.П. Королева. 2011. Т. 3. Ч. 3. С. 65–73.
12. Постнов В.И., Сенаторова О.Г., Каримова С.А. и др. Особенности формования крупногабаритных листов металлополимерных КМ, их структура и свойства // Авиационные материалы и технологии. 2009. №4. С. 23–32.
13. Лавро Н.А., Барабаш В.Н., Ефимов В.А. Прогнозирование срока службы и ресурса самолетных крупногабаритных обтекателей РЛС из полимерных композиционных материалов // Сб. докл. 7-й науч. конф. по гидроавиации «Гидросалон–2008». 2008. Ч. 1. С. 353–360.
14. Постнов А.В., Постнов В.И., Вякин В.Н. Упругодемпфирующие свойства металлополимерных композитов при высокочастотном нагружении // Вестник СГАУ им. С.П. Королева. 2011. №3. Ч. 3. С. 80–87.
15. Постнов В.И., Постнова М.В., Мантусова О.Ю. Исследование виброусталостных свойств отсека носовой части крыла из МПКМ // Вестник СГАУ им. С.П. Королева. 2012. №3. Ч. 1. С. 281–290.
1. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Kablov E.N. Aviacionnoe materialovedenie v HHI veke. Perspektivy i zadachi [Aviation materials science in the XXI century. Perspectives and tasks] // Aviacionnye materialy. Izbrannye trudy «VIAM» 1932–2002: yubilejnyj nauch.-tehnich. sb. M.: MISIS–VIAM, 2002. S. 23–47.
3. Kablov E.N. Kontrol kachestva materialov – garantiya bezopasnosti ekspluatacii aviacionnoj tehniki [Quality control of materials – security accreditation of operation of aviation engineering] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2001. №1. S. 3–8.
4. Postnova M.V., Kazakov I.A. Metallopolimernye kompozicionnye materialy – svojstva, tehnologiya formovaniya, oblasti primeneniya [Metalpolymeric composite materials – properties, technology of formation, scope] // Sloistye kompozicionnye materialy. 2001. S. 187–188.
5. Antipov V.V. Metallicheskie materialy novogo pokoleniya dlya planera perspektivnyh izdelij aviacionno-kosmicheskoj tehniki [Metal materials of new generation for glider of perspective products of aerospace equipment] // Novosti materialovedeniya. Nauka i tehnika: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №4. St. 02. Available at: http://www.materialsnews.ru (accessed: June 08, 2016).
6. Antipov V.V., Senatorova O.G., Sidelnikov V.V., Shestov V.V. Konstrukcionnye sloistye materialy SIAL [SIAL constructional layered materials] // Klei. Garmetiki.Tehnologii. 2012. №6. S. 41–49.
7. Deev I.S., Kablov E.N., Kobets L.P., Chursova L.V. Issledovanie metodom skaniruyushhej elektronnoj mikroskopii deformacii mikrofazovoj struktury polimernyh matric pri mehanicheskom nagruzhenii [Research of the scanning electron microscopy method deformation of microphase structure of polymeric matrix at mechanical loading] // Trudy VIAM: elektron. nauch-tehnich. zhurn. 2014. №7. St. 06. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: June 08, 2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-7-6-6.
8. Umanskij Ya.S. Kristallografiya, rentgenografiya i elektronnaya mikroskopiya [Crystallography, roentgenography and electron microscopy]. M.: Metallurgiya, 1982. 289 s.
9. Myasnikov Yu.G. Rentgenovskie difraktometry dlya issledovaniya i kontrolya napryazhenno-deformirovannyh materialov [X-ray diffractometrs for research and control intense the deformed materials] // Zavodskaya laboratoriya. 1985. №7. S. 21–26.
10. Postnov V.I., Postnova M.V., Arlashkina O.Yu. Issledovanie vliyaniya napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya na ustalostnye harakteristiki MPKM [Research of influence intense the deformed condition on fatigue characteristics of MPCM] // Sb. mater. Mezhdunar. nauch. konf. «Novye perspektivnye materialy i tehnologii ih polucheniya–2010». Volgograd: VolGTU, 2010. S. 183–185.
11. Postnov V.I., Postnova M.V., Arlashkina O.Yu. Issledovanie vliyaniya tehnologicheskih faktorov na uroven ostatochnyh napryazhenij v MPKM obshivok reversa D18T [Research of influence of technology factors on level of residual stresses in MPKM of coverings of reverse D18T] // Vestnik SGAU im. S.P. Koroleva. 2011. T. 3. Ch. 3. S. 65–73.
12. Postnov V.I., Senatorova O.G., Karimova S.A. i dr. Osobennosti formovaniya krupnogabaritnyh listov metallopolimernyh KM, ih struktura i svojstva [Features of formation of large-size sheets of metalpolymeric CM, their structure and properties] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2009. №4. S. 23–32.
13. Lavro N.A., Barabash V.N., Efimov V.A. Prognozirovanie sroka sluzhby i resursa samoletnyh krupnogabaritnyh obtekatelej RLS iz polimernyh kompozicionnyh materialov [Forecasting of service life and resource of aircraft large-size fairing of RLS from polymeric composite materials] // Sb. dokl. 7-j nauch. konf. po gidroaviacii «Gidrosalon–2008». 2008. Ch. 1. S. 353–360.
14. Postnov A.V., Postnov V.I., Vyakin V.N. Uprugodempfiruyushhie svojstva metallopolimernyh kompozitov pri vysokochastotnom nagruzhenii [Elastic-demping of property of metalpolymeric composites at high-frequency loading] // Vestnik SGAU im. S.P. Koroleva. 2011. №3. Ch. 3. S. 80–87.
15. Postnov V.I., Postnova M.V., Mantusova O.Yu. Issledovanie vibroustalostnyh svojstv otseka nosovoj chasti kryla iz MPKM [Research vibro fatigue properties of compartment of nasal part of wing from MPKM] // Vestnik SGAU im. S.P. Koroleva. 2012. №3. Ch. 1. S. 281–290.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.