 |
1.2.1 Определение композитного материала
|
|
|
|
АННОТАЦИЯ
Пояснительная записка 82 с., 58 рис., 10 табл., 14 источников, 1 прил.
САМОЛЕТ, ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, ОБШИВКА ФЮЗЕЛЯЖА, ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ, РЕМОНТ, ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, ПОВРЕЖДЕНИЕ, DAMAGE CHART
Цель работы – разработка технологии ремонта обшивки фюзеляжа летательного аппарата, изготовленной из полимерных композиционных материалов.
Обоснована проблема повреждаемости обшивки фюзеляжа, необходимости в диагностировании и ремонте и особенности ремонта композиционных материалов.
Сформирована технология ремонта обшивки фюзеляжа летательного аппарата, изготовленного из полимерного композиционного материала в виде главы мануала по ремонту структуры летательного аппарата и технологии ремонта обшивки в виде технологической карты, в частности.
Выполнен расчет перерезывающих сил и изгибающего момента, действующих на обшивку фюзеляжа. Выполнен расчет секции фюзеляжа, произведен подбор конфигурации композиционной обшивки путем сравнения ее с металлической, выполнено сравнение отремонтированной и неповрежденной обшивки, изготовленной из полимерных композиционных материалов.
Выполнен патентный анализ технологий ремонта тонкостенных конструкций, изготовленных из композиционного материала.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 7
1 Повреждаемость фюзеляжа. 8
1. 1 Анализ типовых повреждений элементов конструкции ЛА.. 8
1. 2 Перспективы применения ПКМ в авиации. 14
1. 3 Анализ существующей технологии ремонта изделий из ПКМ.. 20
1. 4 Патентное исследование способов ремонта изделий из ПКМ.. 23
2 Расчет обшивки фюзеляжа. 31
2. 1 Анализ условий работы обшивки фюзеляжа. 31
2. 2 Построение эпюр перерезывающих сил и изгибающего момента. 31
|
|
|
2. 3 Расчет секции фюзеляжа. 37
2. 4 Расчет секции обшивки фюзеляжа, изготовленной из ПКМ.. 44
2. 5 Сравнение с отремонтированной обшивкой. 48
3 Технология ремонта полимерного композиционного материала. 51
3. 1 Виды ТО, при которых производится ремонт элементов из ПКМ.. 51
3. 2 Методы неразрушающего контроля, применяемые для ПКМ.. 52
3. 3 Технологическая карта ремонта обшивки фюзеляжа, изготовленного из полимерных композиционных материалов. 53
4 Предлагаемые мероприятия. 60
4. 1 Анализ статистики АП, связанных с повреждениями выбранного элемента 60
4. 2 Предлагаемые мероприятия. 63
Список литературы.. 65
Приложение А (обязательное) – Субъект SRM, разработанный на основании патента 67
ВВЕДЕНИЕ
Композиционные материалы (КМ) – искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями. В настоящее время, из-за многообразия возможных вариантов комбинирования материалов, с получением различных физико-химических свойств, КМ находят все большее применение. На примере КМ, состоящих из армирующих волокон и связующего, можно наблюдать, что при правильном подборе компонентов, КМ позволяет добиваться лучших характеристик, чем у металлических сплавов, при этом существенно снижая массу.
Благодаря существенному выигрышу в массе, тенденция применения КМ в авиационной технике особенно заметна. На данный момент существуют самолеты, более 50 % массы которых приходятся на КМ. КМ хорошо проявляют себя в обшивке фюзеляжа летательных аппаратов. Именно обшивка фюзеляжа будет рассматриваться, как элемент, на котором будет производиться замена материла с алюминиевого сплава на КМ, анализ типовых повреждений, методы неразрушающего контроля, технология ремонта и авиационная безопасность.
Повреждения обшивок ЛА чаще свего происходит механическим путем, вследствие попадания камней, пыли и других посторонних предметов, находящихся на ВПП. В работе будет описан учет и отслеживание повреждений фюзеляжа ЛА..
|
|
|
Методы неразрушающего контроля КМ существенно отличаются от таковых для металлических кострукций. В работе будет проведено сравнение методов и описаны основные методы неразрушающего контроля КМ.
Основной целью работы является создание технологии ремонта КМ, технологической карты конкретного ремонта и расчет запаса прочности отремонтированного участка.
1 Повреждаемость фюзеляжа
1. 1 Анализ типовых повреждений элементов конструкции ЛА
Анализ статистики эксплуатационных повреждений ВС ГА показывает, что большую часть повреждений летательного аппарата составляет коррозия, следом за ней идут износ и усталость. Но в случае с обшивкой фюзеляжа, крыла, оперения картина повреждений значительно отличается. Коррективы вносят механические повреждения, причиной которых, чаще всего, являются удары об обшивку камней, песка и т. д., поднятых с поверхности ВПП при разбеге и пробеге, удары птиц о фюзеляж, при нахождении вблизи земли. Также, нередки случаи повреждения летательных аппаратов в результате столкновения с наземной техникой, либо повреждения средствами наземного обслуживания (стремянки, столы) или инструментом при неаккуратном техническом обслуживании.
Structural damage chart (SDC) является информационным документом для летного, технического и инспекторского составов, позволяющим вести учет и контроль за имеющимися на ВС выполненными ремонтами повреждениями конструкции ВС, а также оперативно проверить корректность внесенной информации о ремонте или повреждении в соответствии с требованиями технической документацией или рекомендациями производителя ВС.
Проанализированы отчеты о повреждениях (SDC) трех летательных аппаратов Boeing 737-524, регистрационные знаки VQ-BAD (рисунок 1. 1), VQ-BJT (рисунок 1. 2), VP-BXQ (рисунок 1. 3). Для визуализации повреждаемости обшивки фюзеляжа в процессе эксплуатации, большей наглядности, повреждения разделены по характеру на группы, каждой группе присвоен цвет. На рисунках примерно визуализированы повреждения обшивки, повреждения с правого борта отзеркалены на левый, нижней поверхности крыла и стабилизатора - на верхнюю. Синим цветом изображены - вмятины, красным цветом – трещины, зеленым цветом – коррозия, желтым цветом – другие повреждения, которые включают в себя деламинацию – расслоения композитных конструкций, царапины, пробоины, фиолетовым – повреждения после ударов молний.
|
|
|
Рисунок 1. 1 - VQ-BAD
Рисунок 1. 2 - VQ-BJT
Рисунок 1. 3 - VP-BXQ
На рисунках видно, что наиболее часто повреждаются механизация крыла, особенно находящиеся на входной кромке предкрылки, находящиеся ниже всего закрылки, хотя и присутствуют многочисленные повреждения верхней поверхности крыла. Также существенно повреждаются мотогандолы, в частности входные устройства. Из-за необходимости обеспечить минимальное расстояние от телескопического трапа или трапа до входной двери, зачастую происходят повреждения дверей, через которые производится посадка и высадка пассажиров, а также, из-за погрузки багажа, очень сильно страдают двери переднего и заднего багажных отсеков.
Рисунок 1. 4 - Повреждения на двери переднего багажного отсека
Рисунок 1. 5 - Отремонтированные участки рядом с дверью переднего багажного отсека
Рисунок 1. 6 - Отремонтированные участки рядом с дверью переднего багажного отсека
Рисунок 1. 7 - Маркировка повреждений
Несмотря на все меры, предпринимаемые для исключения повреждения летательных аппаратов наземной техникой, происшествия такого рода все равно происходят достаточно часто. Примером может являться случай, произошедший 2 мая 2019 года в аэропорту Шереметьево. Фотографии повреждений представлены на рисунке 1. 8 и рисунке 1. 9.
Так же примером может являться столкновение топливозаправщика с самолетом Airbus A321 авиакомпании аэрофлот, произошедшее 1 августа 2020 года. Последствия столкновения представлены на рисунке 1. 10, рисунке 1. 11 и рисунке 1. 12.
Рисунок 1. 8 - Столкновение самолета и СНО в Шереметьево 2 мая 2019 г.
Рисунок 1. 9 - Повреждение ВС после столкновения
|
|
|
Рисунок 1. 10 – Столкновение топливозаправщика с самолетов 1 августа 2020 г.
Рисунок 1. 11 – последствия столкновения ТЗ с ЛА
Рисунок 1. 12 – последствия столкновения ТЗ с ЛА
Не учитывая внешних факторов, таких как механические повреждения, подавляющее число дефектов будут последствиями коррозии, однако, коррозия композитным материалам не страшна, а вот возникновение усталостных повреждений, несмотря на высокую стойкость композитных материалов к их накоплению, все еще является существенной проблемой, особенно при ошибках при проектировании элементов ЛА.
Металлические обшивки ремонтируют либо заменой поврежденной секции фюзеляжа, либо по вырезанию поврежденного участка и установкой заплатки, композитные элементы, хотя в ряде случаев и обладают возможностью в приклепывании накладок, чаще всего ремонтируются несколько иначе.
Учитывая увеличения массовой доли композитных материалов в новых типах техники, можно судить о том, что в будущем подавляющее большинство операций по восстановлению и ремонту элементов обшивки фюзеляжа будут производиться не со сталями, а с композитами. Таким образом остро стоит вопрос об улучшении технологии ремонта обшивок, изготовленных из композитных материалов.
1. 2 Перспективы применения ПКМ в авиации
1. 2. 1 Определение композитного материала
Композиционные материалы (КМ) – искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями. На рисунке 1. 13 приведен пример композиционного материала.
Рисунок 1. 13 - Углепластик – волокнистый композиционный материал
Одним из компонентов композиционных материалов является армирующее волокно, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, а другим компонентом – матрица (или связующее), обеспечивающая совместную работу армирующих элементов, перераспределяющая нагрузку на всю поверхность волокон. Структура композиционного материала приведена на рисунке 1. 14.
Рисунок 1. 14 - Структура композиционного материала
Физико–химические свойства композитного материала определяются сочетанием разнородных свойств материалов, входящих в его структуру. При правильном подборе компонентов композита можно добиваться требуемых характеристик, необходимых в данном конкретном случае, что позволяет существенно сокращать массу изделия при сохранении заданных упруго-прочностных характеристик.
В отличии от сталей, которые являются анизотропными, то есть имеют равные упруго-прочностные свойства и предельные перерезывающие напряжения примерно равные напряжениям на растяжение, композиты являются изотропными, их характеристики значительно отличаются в зависимости от направления действия сил, к тому же они очень плохо воспринимают перерезывающие напряжения.
|
|
|
Структурно могут быть:
- слоистыми, как, например, гетинакс, гипсокартон, клееная фанера, ДСП, ОСБ, текстолиты, миканиты, многослойные стекла, рубероид;
- дисперсно-упрочненные частицами, когда в металлической матрице равномерно распределяются мелкодисперсные компоненты второго металла, т. н. порошковая металлургия, как правило, матрицей в этом случае являются алюминий, магний, титан, никель, вольфрам, а вторым компонентом являются вкрапления спеченного алюминиевого порошка, бериллия, магния, никеля и кобальта. Композиты такого типа широко применяются в авиации благодаря высоким прочностным характеристикам и устойчивости к высоким температурам;
- волокнистые композитные материалы, наиболее распространенные представители – стекловолокнистые, углеволокнистые композитные материалы;
- нанокомпозиты широко применяются в упаковочной отрасли, полиамидные, полипропиленовые, полиэтиленовые композиты и т. д.;
- сэндвич композиты применяются при термоизоляции, звукоизоляции, сотовые заполнители.
|
|
|
