Разработка конструктивных мероприятий по повышению живучести конструкции планера самолета транспортной категории.

На основе перечня функций, выполняемых каждой функциональной системой, степени опасности функциональных отказов, требований по резервированию и установке защитных устройств создается принципиальная схема системы, которая должна давать полное представление о составе агрегатов системы, принципе их действия, вопросах у правления и передачи экипажу информации о работоспособности или техническом состоянии системы.2. Стадия эскизного проектирования. После создания принципиальной схемы функциональной системы проводится анализ надежности системы и влияния ее отказов на создание особых ситуаций и регулярность полета самолета.В задачу анализа входит уточнение перечня функциональных отказов, их последствий и степени опасности, контрольных уровней их допустимых вероятностей, а также установление логической связи между ними и видамиотказов агрегатов, определение вероятности возникновения функционального отказа через вероятности отказов агрегатов системы. Одновременно определяется объем информации об отказе, необходимой экипажу, и порядок действий экипажа, парирующих влияние отказа на продолжение полета.На основе анализа надежности системы осуществляется контроль выполнения требований по вероятностям возникновения особых ситуаций и регулярности полета (определяется соответствие контрольным уровням безотказности систем), в случае их невыполнения проводятся соответствующие изменения принципиальной схемы системы.На основе анализа надежности отдельных функциональных систем проводится анализ надежности самолета в целом, отражающий взаимодействие систем друг с другом и влияние отказов одних систем на работоспособность других. Оценивается вероятность возникновения особых ситуаций из-за отказов нескольких функциональных систем и проводится окончательный контроль выполнения требований по обеспечению безопасности и регулярности полета самолета.3. Стадия рабочего проектирования. Анализ надежности корректируется с учетом всех изменений в схемах функциональных систем и конструкциях агрегатов с учетом особенностей компоновки их на самолете.Последствия функциональных отказов уточняются на основании расчетов, моделирования. стендовых и летных испытаний с учетом допустимого диапазона ожидаемых условий эксплуатации.На основании анализа надежности разрабатываются: - перечень потенциально возможных функциональных отказов;- доказательная документация при подготовке к сертификации самолета; - перечень особых ситуаций в полете для внесения в руководство полетной эксплуатации;- перечень отказов для имитации на тренажерах при подготовке летного состава;- основные принципы и методы технического обслуживания самолета.4.2. Частные предложения в мероприятия по повышению живучести конструкции планера самолета транспортной категорииОтечественный и зарубежный опыт показывает, что надежность воздушных судов снижается из-за частичных повреждений планера. К наиболее опасным из них относятся очаги коррозии и трещины усталости, развитие которых в силовых элементах может привести к разрушению конструкции в целом. Особенность усталостных повреждений состоит в отсутствии эффективных и доступных методов предупреждения их возникновения в процессе эксплуатации.Опыт создания и эксплуатации транспортных самолетов СССР и России, накопленный примерно за 50 лет, показал, что для достижения этих характеристик самолетов необходимо проектировать их конструкции, руководствуясь тремя принципами [15]. Регулярные продольные стыки панелей крыла, продольные стыки внахлест обшивки фюзеляжа следует проектировать по принципу безопасного ресурса (safe-life). В остальных силовых элементах планера должны обеспечиваться одновременно критерии безопасного разрушения (fail-safe) и допустимого повреждения (damagetolerance).Ресурс конструкций самолетов ограничивается в большинстве случаев усталостью продольных стыков панелей нижней поверхности крыла и усталостью продольных стыков внахлест обшивки фюзеляжа. В этих стыках образуются трудно контролируемые многоочаговые трещины. Поэтому ресурс этих продольных стыков и, следовательно, ресурс самолета определяются по принципу safe-life. За время отработки самолетом проектного ресурса в указанных стыках не должны возникать многоочаговые усталостные трещины (MSD).Одним из главных мероприятий по обеспечению больших ресурсов самолетов является улучшение характеристик трещиностойкости и сопротивления усталости алюминиевых сплавов, которые остаются основным конструкционным материалом авиакосмической техники. Эта проблема решается за счет: введения в сплавы легирующих элементов (цирконий Zr, литий Li); уменьшения примесей железа (Fe), кремния (Si); совершенствования технологии производства сплавов [11, 15].Точные оценки характеристик damagetolerance конструкций могут быть выполнены при полной информации о спектрах переменных нагрузок на самолет и учете взаимодействия нагрузок различных амплитуд в расчетах скорости роста трещин. Для решения этих задач целесообразно проводить расчетно-экспериментальные исследования закономерностей роста усталостных трещин в образцах из различных алюминиевых сплавов.Обеспечение безопасности стареющих самолетов целесообразно обеспечивать за счет: расчетно-экспериментальных исследований эксплуатационной живучести; испытаний на усталость и живучесть конструкций после длительной эксплуатации самолетов; разработки дополнительных регламентов неразрушающего контроля; индивидуального продления ресурса каждого экземпляра самолета. При решении проблемы безопасной эксплуатации стареющих самолетов необходимо решать три основные задачи: Обеспечение эксплуатационной живучести конструкций с многоочаговыми усталостными трещинами.Контроль деградации характеристик трещиностойкости и сопротивления усталости конструкций при длительной эксплуатации самолетов.Контроль начала и длительность роста коррозионных повреждений.Сплавы должны обладать хорошей коррозионной стойкостью. В них не должны возникать при длительной эксплуатации самолетов трещины из-за коррозии под напряжением (stresscorrosion) и межкристальной коррозии. В целях предотвращения расслаивающей коррозии необходимо применять соответствующие методы коррозионной защиты (покраска, плакировка и др.).Алюминиевые сплавы остаются основным конструкционным материалом транспортных самолетов. В отечественной и зарубежной авиационной промышленности осуществляется непрерывное совершенствование сплавов с целью получения высоких значений прочности, сопротивления усталости и трещиностойкости. Улучшение этих свойств производится дифференцированно для различных силовых элементов планера самолета: обшивки нижней поверхности крыла, обшивки верхней поверхности крыла, обшивки нижней части фюзеляжа, обшивки верхней части фюзеляжа и т. д.Частные технологические предложения по повышению живучести планера можно охарактеризовать следующими мероприятиями. 1. Снижение действующих напряжений в элементах конструкции. Это одно из основных средств повышения усталостной прочности. Если известны повторяемость нагрузок и кривая выносливости детали, то всегда можно выбрать уровень рабочих напряжений в детали при котором она не разрушится за расчетный срок службы самолета. Такой путь решения задачи связан с увеличением веса конструкции. 2. Выбор материала. Если для детали повторные нагрузки играют большую роль, то определяющими в выборе материала должны быть характеристики его выносливости. Например, нижняя панель крыла, испытывающая преимущественно растягивающие напряжения, более подвержена усталостному разрушению, чем верхняя, нагруженная в основном сжимающими напряжениями, уровень которых к тому же меньше уровня растягивающих. Поэтому при выборе материала для элементов верхней панели более важен показатель удельной прочности материала, а для элементов нижней панели - характеристики выносливости. Характеристики повреждаемости конструкции в значительной степени зависят от скорости распространения трещины и склонности материала к хрупкому разрушению. Материал должен обеспечивать медленное развитие трещины. Поэтому, учитывая требования безопасной повреждаемости, материал выбирают не только исходя из характеристик удельной и усталостной прочности, но и с учетом вязкости разрушения. В качестве меры вязкости разрушения обычно используют коэффициент интенсивности напряжений. Этот коэффициент связан с величиной напряжений и зависит от деформаций в окрестности трещины, от размеров трещины и панели. По значению коэффициента и диапазону его изменения можно судить о характере развития трещины. Для современных конструкций скорость распространения трещины составляет 0,001…5 мм за полет. Размеры допустимой начальной длины трещины также определяются величиной этого коэффициента, и следовательно, действующими напряжениями. Это позволяет задавать величину допустимого напряжения. Уровень последнего должен обеспечивать приемлемую скорость распространения трещины. Оптимальным значением допустимого напряжения считается то, которое обеспечивает заданную долговечность и одновременно допустимую начальную длину трещины по условиям безопасной повреждаемости планера. Наиболее полно требованиям усталостной прочности и повышенной стойкости против распространения трещин в конструкции отвечают алюминиевые сплавы, затем — титановые сплавы и высокопрочные стали. 3.Устранение концентраторов напряжений. Источниками концентрации напряжений в детали служат отверстия под болты и заклепки, вырезы под лючки, резкие переходы, изменения сечений и пр. В эксплуатации могут возникать дополнительные места с повышенной концентрацией напряжений. В частности, значительную концентрацию напряжений могут создавать риски, царапины, забоины и вмятины. При повреждении поверхности создаются очаги коррозии, резко ухудшающие характеристики выносливости детали. Концентрация напряжений может возникать также в районе болтовых и заклепочных соединений при уменьшении их натяга.Уменьшить или даже полностью устранить концентрацию напряжений можно соответствующим выбором форм деталей и технологии изготовления конструкции. С этих позиций предпочтительнее детали простых очертаний, без резких переходов.Основной причиной появления в конструкции концентрации напряжений является механический крепеж. Поэтому в зонах, подверженных большим повторным нагрузкам, от него стремятся отказаться. Эффективное средство уменьшения концентрации напряжений — посадка болтов и заклепок с большим натягом. В соединении из алюминиевых сплавов натяг 2-3% Повышение усталостной прочности достигается как за счет радиального, так и за счет осевого натягов. Оба они способствуют образованию пластической зоны в окрестности отверстия, более равномерному распределению напряжений и существенному уменьшению амплитуд напряжений. За счет осевого натяга часть нагрузки в соединении передается силами трения, что также выравнивает распределение напряжений по сечению соединения и уменьшает напряжения по контуру отверстия. Так можно снять концентрацию напряжений в районе эксплуатационно-технологических отверстий в панелях. Для этого в отверстие запрессовывают с большим натягом специальные втулки. Затяжка болтов и заклепок позволяет увеличить выносливость соединения в десятки раз. Однако эффективна эта мера лишь в том случае, если соединение выполнено с высокой точностью и такое состояние поддерживается в процессе эксплуатации и ремонта.4.Совершенствование технологии изготовления конструкции,оказывающей большое влияние на выносливость. Исключение механического крепежа требует применения новых надежных способов соединения деталей и зачастую приводит к существенному изменению конструкции. Частично задача сокращения крепежа решается использованием в конструкции длинных оребренных монолитных панелей с минимальным числом сильнонагруженных поперечных стыков. Пытаются решить эту же задачу, соединяя детали (например, обшивку с нервюрами или пояс лонжерона с обшивкой) с помощью клеезапрессованных фитингов. Для улучшения характеристик допускаемой повреждаемости обшивку крыла можно выполнять многослойной — из нескольких слоев листового материала. В такой конструкции за счет перераспределения нагрузки между листами устраняются концентраторы и обеспечивается небольшая скорость распространения трещин. Полностью устранить механический крепеж удается применением клеевых и сварных соединений.Клеевые соединения уменьшают число крепежных деталей, предотвращают истирание соединяемых поверхностей, увеличивают ширину обшивки, подкрепленной стрингерами (на величину ширины полки стрингера), задерживают распространение трещин. Такие соединения обладают повышенной усталостной прочностью и сравнительно небольшим весом. Считают, что в будущем этот способ соединения деталей может стать одним из основных.Увеличение выносливости сварных соединений достигается защитой их от коррозии и точным соблюдением технологии сварки, обеспечивающей высокое качество сварного шва и структуры материала в районе шва. В последние годы изыскиваются новые методы сварки, снижающие опасность усталостного разрушения.Технология обработки поверхности детали также влияет на выносливость. Шероховатость многократно увеличивает площадь контакта поверхности с окружающей средой и обусловливает появление большого количества микроочагов концентрации напряжений. Поэтому шероховатая поверхность более подвержена коррозии, на ней быстрее образуются трещины, выносливость такой детали оказывается заниженной. Для защиты от коррозии применяют анодирование, защитную окраску и другие меры. Части конструкции, контактирующие с топливом, покрывают специальными лаками. Для уменьшения влияния конструктивно-технологических и эксплуатационных концентраторов на выносливость применяют различные методы поверхностного упрочнения. Нужно иметь в виду, что предварительный наклеп может не только повышать, но в некоторых случаях и понижать выносливость. Его влияние зависит от степени и характера наклепа, вида деформаций, уровня напряжений и пр. Естественно, что большие трудозатраты на обработку поверхности могут быть оправданы лишь в случае, если в процессе эксплуатации принимаются все меры для предупреждения повреждения покрытий и поверхностного слоя деталей.5. Ограничение скорости распространения трещины. Обеспечение заданного срока службы конструкции возможно путем создания конструкции «безопасного срока службы» или конструкции «повышенной живучести».В конструкции «безопасного срока службы» не допускается никих местных разрушений за срок ее службы. По такому принципу выполняют, например, стойки шасси, подкосную балку крыла, несущую балку управляемого стабилизатора, одноушковое болтовое соединение и пр. Надежность таких конструкций обеспечивается за счет соответствующего выбора запаса прочности. Их реализация сопряжена с некоторыми дополнительными затратами веса.В конструкциях «повышенной живучести» (безопасной повреждаемости) появление усталостных трещин допускается. Но одновременно требуется, чтобы они развивались медленно и за период между предусмотренными контрольными осмотрами техники не приводили к снижению прочности конструкции ниже установленного уровня. При осмотрах трещины должны легко обнаруживаться.Уменьшить скорость развития трещин можно, создавая ограничители на пути их распространения. Такими ограничителями могут быть участки с пониженными напряжениями, а также разрывы в конструкции, например соединение обшивки на достаточно массивных подкрепляющих элементах.6. Уменьшение интенсивности повторных нагрузок. Повторяемость и интенсивность нагрузок зависят от условий эксплуатации: от высоты и скорости полета, метеоусловий на маршруте, порядка выработки топлива, состояния взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек и т. п. Учет этих факторов в эксплуатации может способствовать более экономному расходованию ресурса и повышению долговечности конструкции по условиям усталостной прочности.Ряд устройств, устанавливаемых на современных самолетах, решая другие задачи, одновременно способствуют повышению долговечности конструкции. Сюда можно отнести радиолокационные системы обнаружения грозовых фронтов, системы повышения устойчивости, перекачки топлива и др.К числу конструктивных мероприятий, направленных на уменьшение нагрузок при движении по неровному грунту, относятся специальные конструкции амортизаторов (с клапанами разгрузки, двухкамерные и др.). Интенсивность перегрузок при полете в болтанку можно уменьшить, снижая скорость полета или применяя специальные системы демпфирования колебаний, при рулении — снижая скорость движения. Если на самолете установлено крыло изменяемой стреловидности, то перевод его в положение максимальной стреловидности, при прочих равных условиях, способствует уменьшению перегрузок.7. Контроль расходования ресурса конструкции. «Изнашивание» конструкции от действия повторных нагрузок при длительной эксплуатации может быть обнаружено визуально. Проявляется «изнашивание» в истирании соприкасающихся поверхностей в зонах заклепочных и болтовых соединений, в уменьшении затяжки болтов и заклепок, в появлении усталостных трещин. Появление трещин еще не означает разрушения конструкции. Однако сразу же после обнаружения трещины следует принять меры, предотвращающие дальнейшее ее развитие, и, если необходимо, произвести ремонт. Участок, где появилась трещина, нужно тщательно исследовать, так как здесь же могут быть повреждены и другие, иногда плохо просматриваемые силовые элементы конструкции.Чтобы оценивать накопление усталостных повреждений и контролировать расходование ресурса, в настоящее время разрабатывают специальные индикаторы. Считают, что такие индикаторы могут быть основаны на принципе измерения некоторых характеристик конструкции. Например, фиксировать образование макротрещин можно по изменению частот собственных колебаний или устанавливая связь декремента затухания колебаний с усталостью. Возможны и механические индикаторы, например, в виде пластинки, которая нагружается так же, как и основной силовой элемент, но характеристики усталости которой смещены влево на определенную величину.4.3. Предложения по использованию CALS-технологий по повышению живучести конструкции планера самолета транспортной категорииВ связи с переходом на эксплуатацию с увеличенным межремонтным ресурсом и сроком службы возникают риски снижения ресурса конструкционной части планера и его живучести в целом.Основной замысел предложений состоит в том, что современные воздушные суда оснащаются современными боратовыми комплексами регистрации телеметрируемых данных в полете, в том числе данных, относящихся к характеристикам нагрузок, на материалы конструкции, сопутствующих перегрузок и деформаций элементовконструкции планера.При этом, недостаток фактографических данных о поведении элементов конструкции планера типовых (серийных) воздушных судов можно восполнять из прецедентных данных однотипных изделий авиационной техники, что реализуемо в рамках применения концепции CALS - технологий (ComputeraidedAcquisitionandLogisticsSupport).В отечественной практике пионерами внедрения CALS были предприятия: АВПК «Сухой», ОАО «Туполев», Конструкторское бюро приборостроения (Тула), Воронежский механический завод.Решение задач управления качеством в обеспечении заданных показателей надёжности сложных технических изделий в т.ч. современных изделий авиационной техники, имеющих длительный «жизненный цикл» невозможно без применения информационных CALS-технологий. Широкое использование информационных технологий в проектировании и связанное с этим сокращение сроков и повышение качества отработки стало возможным благодаря тому, что развитие современных вычислительных средств и методов численного моделирования позволяет создать, в том числе и вычислительные моделирующие стенды. Эти стенды позволяют дать достоверные оценки, требуемых для разработки характеристик, или определить оптимальный по стоимости объем и номенклатуру экспериментальных исследований. При этом для достижения максимального сокращения сроков разработки необходимы[16]:- четкая и оперативная связь между системами автоматизированного проектирования и системами инженерного анализа;- «легкость» проведения расчетных исследований в системе инженерного анализа.Исходя из этих задач, основными этапами проведения расчетных исследований являются:- подготовка исходных данных;- создание расчетной модели (построение геометрической модели, дискретизация расчетной области, задание граничных и начальных условий, свойств материалов, настройка решателя и т.п.);- проведение расчета;- анализ полученных результатов.Приложения по порядку реализации CALS-технологии состоит в следующем:1. Априорное (статистическое) определение базовых элементов систем (узлов, агрегатов), влияние которых на величину выходного конструктивного параметра изделия ожидается существенным. 2. Определение признака качества и границ поля допуска элементов.3. Проверка компонентов вектора признака качества на различных этапах жизненного цикла изделия.4. Проверка гипотезы о постоянстве уровня настройки эксплуатационного процесса.5. Оценка критичной области уровня настройки эксплуатационного процесса. 6. Расчёт коэффициента устойчивости, анализ причин нарушения устойчивости процесса с использованием факторного анализа влияния выходных параметров и технологических факторов процесса на различных этапах жизненного цикла.7. Архивирование данных по признакам качества для однотипных систем (узлов, агрегатов).8. Выбор управляющих воздействий и технологических решений.Пример типовой методики автоматизации в рамках CALS-технологии и электронного двойника изделия и документооборота на стадии проектирования для конструкции планера приведен на рис. 13.Предлагаемый подход основан на одном из методов интеллектуального анализа данных (Data Mining) - методе моделирования рассуждений на основе прецедентов (CBR -Case-basedReasoning). Вывод, основанный на прецедентах является моделью управления знаниями в интеллектуальных системах поддержки принятия решений при конструировании и эксплуатации изделий авиационной техники и позволяет получить решение неизвестной задачи, используя накопленный опыт решения похожих задач, хранящийся в библиотеке прецедентов, и адаптируя его к новым условиям. Вывод на основе прецедентов показал свою эффективность в случаях, когда отсутствует возможность полного математического описания предметной области и основным источником знаний для решения задач является опыт. Рис.13. Типовая методика обеспечения показателей живучести планера на этапах конструкторского проектирования воздушного суднаСледует отметить, что полученное на основе метода решение не является гарантированно верным, а служит лишь отправной точкой процесса поиска правильного решения. Интуитивно понятно, что правильнее начинать с какого-то приблизительного решения в условиях отсутствия четкого варианта действий. Такой подход к принятию решений основан на многолетней практике работы высококвалифицированных специалистов при диагностировании и конструировании сложных систем.ЗАКЛЮЧЕНИЕПроведенный анализ эксплуатационных поврежденийсвидетельствует, что основными видами дефектов планера являются коррозия различного вида (57%) и трещины усталости (25%). Причиной появления усталостных трещин является, как правило, недостаточная усталостная прочность. На современном этапе основным направлением совершенствования процессов эксплуатации авиационной техники является ее перевод на эксплуатацию по состоянию. Применительно к планеру и его силовым элементам это вызывает необходимость проведения расчетно-экспериментальных оценок характеристик живучести и сроков периодического контроля, более углубленного изучения свойств и способов обеспечения безопасности по условиям прочности конструкций с «допустимым повреждением» и «допустимым разрушением».Применение статистических методов для оценки надежности силовых элементов на практике ограничено из-за малого объема, а иногда и отсутствия, особенно на ранних этапах эксплуатации, информации об их отказах. В работе сформулированы общие и частные предложения в комплекс мероприятий по повышению живучести планера воздушного судна транспортной категории, включающие как использование расчетных методов, основанных на результатах исследования механики усталостных разрушений конструкций и позволяющих прогнозировать надежность силовых элементов в процессе их эксплуатации, так и предложения по использованию CALS технологий при отсутствии достаточного объема данных об отказах и дефектах конструкции планера.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКМуромов А.И. «100 великих авиакатастроф». – М.: Вече, 2004 349с.Сладкова Л.А. Анализ статистики авиакатастроф // Научные достижения и открытия. 2019. С. 18-25. Дьячков Д.В., Золотарев О.В. Анализ статистики авиакатастроф на основе исследования множества факторов. [Электронныйресурс] - URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=45793656.Грабкова В., Тарасова С., Покровская В., и др. Влияние обстоятельств и факторов крушения самолета на число жертв авиационного происшествия. [Электронный ресурс] - URL: https://rpubs.com/vopokrovskaya/739117.Boeing Statistical Summary 1959-2017. [Электронныйресурс] - URL: https://cdn.aviation-safety.net/airlinesafety/industry/reports/Boeing-Statistical-Summary-1959-2017.pdf.ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения.ГОСТ Р 56079—2014. Изделия авиационной техники. Безопасность полета, надежность, контролепригодность, эксплуатационная и ремонтная технологичность. Номенклатура показателей.Надежность летательных аппаратов: Учеб. пособие / С.К. Кириакиди. В.А. Сатин и др. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2009. 107 с.Исследование причин неисправностей авиационной техники: Методические указания / Самарский гос. аэрокосм. ун-т. Сост. Н.Н. Игонин, Г А. Новиков, И.Г. Старостин. Самара, 2004. 44 с.Бутушин С.В., Семин А.В. Целостность элементов конструкции планера при длительной эксплуатации гражданских воздушных судов // Научный вестник МГТУ ГА №141. 2009. С. 30-37.Нестеренко Б.Г. Об обеспечении усталости и живучести конструкций транспортных самолетов // Научный вестник МГТУ ГА. № 163. 2011, С. 60 - 68.Rоbеrt Р. Наvi1and. Engineering Reliability апd long life // Design D. Van Nostrand Сатрапу. Inc., Princeton, New Jersey. 232 p.Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. - М.: Мир. 1984. 318 с.Машиностроение. Энциклопедия / К. В. Фролов (пред) и др. - М.: Машиностроение. Самолеты и вертолеты. Т. IV-21. Проектирование конструкции и системы самолетов и вертолетов. Кн.2 / А.М.Матвеенко, Л.И.Акимов, М.Г.Акопов и др.; Под обш. ред. Л.М. Матвеенко. 752 с.Нестеренко Б.Г., Нестеренко Г.И. Живучесть самолетных конструкций // Научный вестник МГТУ ГА. Серия Аэромеханика и прочность, № 119. 2007, С. 57 - 69.Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. 433 с.