METHODS OF TESTING RING SAMPLES MADE OF PLASTIC COMPOSITE MATERIALS USED IN THE AVIATION INDUSTRY AND THE ESTIMATED EVALUATION OF THEIR EFFECTIVENESS

Full Text

Введение 80 За последнее десятилетие доля применения компо- 70 зиционных материалов в конструкции планера самолета 60 существенно выросла. Основной причиной этого являют- 50 ся очевидные преимущества в использовании композитов по сравнению с традиционными металлическими сплавами, 40 image Полимерные композиты с высокопрочными углеродными волокнами Полимерные композиты с углеродными волокнами средней прочности Высокотемпературные композиты Кривая, построенная по экспериментальным данным А.К. Сэра и Г.Ф. Меррика Композиционные материалы ой а именно: снижение веса планера самолета до 15%; повышение топливной эффективности; уменьшение эксплуатационных расходов до 10% и расхо- дов на периодическое техническое обслуживание до 30% 30 Композиты с Al-матрицей 20 10 Ti-сплавы Al-сплавы с интерметаллической матрицей Композиты с Ti-матрицей Ni-сплавы с керамическ матрицей по причине сокращения частоты осмотров и за счет более высоких механических свойств и большего ресурса компо- зиционных материалов, уменьшение количества деталей в конструкции и, соответ- ственно, снижение трудоемкости и стоимости изготовления. Уже сейчас композиционные материалы нашли широкое применение в конструкции современных самолетов. Напри- мер, в конструкции самолетов Boeing 787 и Airbus 350 компо- зиционные материалы используются в конструкции крыла, центроплана, фюзеляжа и хвостового оперения. В конструкции российских самолетов также широко используются композиционные материалы. Доля исполь- зования композиционных материалов на самолете МС-21 составляет 35%. На самолете SSJ-100 из композиционных материалов изготовлены агрегаты механизации крыла, ру- левые поверхности, створки шасси, обтекатели. Таким образом, с целью подтверждения прочностных характеристик элементов конструкции из композиционных материалов необходимо как можно тщательнее исследовать вопрос, связанный с проведением прочностных испытаний образцов с целью обеспечения требуемой безопасности элементов конструкции планера и поддержания их летной годности в течение назначенного ресурса. Методы исследования механических свойств из образцов полимерных композиционных материалов Наиболее часто применимые в конструкции самолета являются элементы, имеющие кольцевую форму, что обу- словлено общей геометрией планера и двигателя в том чис- ле. В связи с этим наиболее остро в настоящее время стоит вопрос в исследовании механических характеристик именно таких образцов. Как пример, на ранних стадиях развития авиационных ГТД широко использовалась барабанная конструкция рото- ров. С совершенствованием двигателей и повышением их параметров, прежде всего, с ростом скоростей вращения их роторов недостаточная удельная прочность используемых металлических материалов заставила отказаться от кон- струкции вращающихся барабанов. В качестве несущих элементов роторов ГТД начали применять дисковые кон- струкции. С появлением композиционных материалов, имеющих уникальные характеристики удельной прочности (рис. 1), интерес к роторам барабанной конструкции возобновился. Расчеты показывают, что при применении композиционных материалов в два-три раза могут быть повышены рабочие обороты роторов. В работах [2; 3] данный вопрос рассмотрен более детально. На рис. 1 представлены характеристики удельной прочности композиционных материалов различ- ного назначения. 250 500 750 1000 1250 1500 Рис. 1. Характеристики удельной прочности композиционных материалов различного назначения Экспериментальная оценка характеристик композицион- ных материалов, которые реализуются в кольце, изготовлен- ном на основе существующих технологий, представляется актуальной [4]. Такая задача важна при отработке техноло- гии изготовления колец и проведения первичной оценки их механических характеристик. Также, это оценка становится особенно актуальной и при рассмотрении возможности ис- пользования кольцевых элементов конструкции в деталях и узлах существующих и перспективных ГТД, работающих в условиях повышенных температур. В связи с этим, ниже описаны известные и разрабатываемые методы проведения механических испытаний кольцевых образцов. Данная оцен- ка выполнена с точки зрения возможности использования того или иного метода испытаний при повышенных (вплоть до 800 °С) температурах. Испытания кольцевых образцов полудисками Простейшим способом экспериментальных исследова- ний прочности и жесткости кольцевых образцов являются испытания их полудисками. Этот способ стандартизирован в США (NOL-метод) и широко используется в практике экс- пресс методов анализа прочности и жесткости образцов [5]. Популярность метода объясняется его простотой, доступ- ностью и низкой стоимостью проведения экспериментов. На рис. 2 представлена оснастка для проведения испытаний кольца полудисками. По результатам работы [2] установлено, что с увели- чением толщины кольцевого образца h/r (при h/r > 0,15) в его сечении в районе между полудисками распределе- ние напряжений не является близким к равномерному, что ведет к заметному искажению в определении прочности материала и его модуля упругости. Это обстоятельство за- метно ограничивает применимость данной методики к ис- следованию прочности и деформативности кольцевых об- разцов и вынуждает также рассмотреть и другие способы испытаний. Тем не менее, данный метод нельзя исключать из практического применения ввиду достоинств, указанных выше, хотя конечно необходимо также учитывать и его не- достатки. Испытания колец подвижными секторами Для того, чтобы несколько снизить эффект влияния мест- ного изгиба на упругие и прочностные характеристики испы- туемых колец нагрузку на кольца возможно передавать при помощи подвижных секторов (рис. 3). image Удобство монтажа Полудиски оснащены направляющими для соединения между собой. Фиксация полудисков в держателях осуществляется с помощью штифтов Универсальность Оснастка комплектуется двумя комплектами полудисков для образцов шириной 8и 15 мм. Держатели позволяют устанавливать полудиски для испытания образцов диаметром до 200 мм и шириной до 40 мм Широкие функциональные возможности Возможность испытаний при температурах от -70 до +250 °Си на любых испытательных машинах Подключение датчиков Конструкция оснастки позволяет без проблем использовать как контактные, таки безконтактные датчики деформации, включая системы цифровой корреляции изображений DIC Рис. 2. Оснастка для проведения испытаний кольца полудисками image Испытуемый образец Подвижные сектора Рис. 3. Испытание колец подвижными секторами (типовой вариант) Число секторов, способ их перемещения и передачи нагруз- ки на кольцо могут быть различными. Во всех случаях сектора должны свободно перемещаться по направляющим центриру- ющего и направляющего устройства. Ниже кратко описаны три возможных способа передачи нагрузки на кольца. Испытания за счет механического распора секторов Механический распор подвижных секторов обеспечива- ется перемещением под действием нагрузки Р нагружающе- го устройства в осевом направлении. Величины радиальной нагрузки и давления на кольцо секторами могут быть рассчи- таны, что продемонстрировано в работе [2]. При этом на на- ружную поверхность кольцевого образца из композицион- ных материалов могут быть наклеены тензорезисторы для регистрации параметров напряжений. Испытания колец в поле центробежных сил Радиальные смещения подвижных секторов могут быть обеспечены за счет центробежных нагрузок при вращении кольца вместе с центрирующим и направляющим уст- ройством. Эффективность метода может быть оценена расчетным путем [2]. Прежде всего, обеспечивается достаточно высокая равномерность нагружения и более равномерное поле на- пряжений, как по толщине кольца, так и по его протяженно- сти в окружном направлении. Некоторым неудобством при проведении испытаний на- стоящим методом является их относительно высокая стои- мость. Определенные трудности представляет организация процесса наблюдения за поведением кольца в ходе экспери- мента. Применение токосъемников делает эксперимент еще более дорогостоящим. Кроме того, реализация испытаний при повышенных температурах требует создания сложной системы обогрева. Перемещения подвижных секторов за счет температурного расширения специального диска Одним из оригинальных и относительно простых спо- собов нагружения колец является нагружение за счет тем- пературного расширения специального диска или толстого кольца. На рис. 4 представлены уровни радиальных переме- щений диска для нагружения кольцевого образца из компо- зиционных материалов для различных материалов. Радиальное расширение свободного диска опреде- ленного диаметра при равномерном его нагреве до опре- деленной температуры может быть оценено расчетным путем [2]. Расчеты [6] показывают, что этот вид испытаний может конкурировать с любым из описанных выше по всем по- казателям - прежде всего, потому что результаты испыта- ний соответствуют качеству материала кольца. Кроме того, стоимость реализации этого типа испытаний низка. Наконец, развитие этого метода испытаний на случай испытаний при высоких температурах представляется не сложным. на растяжение таких материалов является испытание диска или толстых колец на сжатие [7] по схеме, представленной на рис. 5. image image Р Р 45 ·10-5 image Алюминий (чистый) Бронза 40 ·10 -5 Медь Латунь Сталь (углеродистая) Свинец 35 ·10-5 Чугун Цинк Расширение диска, мм 30 ·10-5 Р Р 25 ·10-5 Рис. 5. Схема испытаний кольцевого образца 20 ·10-5 15 ·10-5 10 ·10-5 5· 10-5 0 0 Температура, °С Рис. 4. Уровни расширение диска, изготовленного из различных материалов 300 Сравнение полученных результатов [2] показывает, что методика испытаний по схеме «бразильского» кольца может успешно использоваться для экспресс-анализа их прочности. Главное преимущество этого метода заключается в простоте его технической реализации. Испытания колец при помощи цангового приспособления На основе проведенных исследований во ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова [2] была спроектирована и изготовле- на оснастка для оценки механических характеристик коль- цевых образцов. Общий вид приспособления показан на рис. 6. Нагружение кольца осуществляется за счет механическо- го распора секторов приспособления. За счет большого коли- Испытаний колец внутренним давлением Одним из способов испытания колец является испытание их внутренним гидростатическим давлением. Методически этот тип испытаний является наиболее простым. Кроме того, благодаря равномерности приложенной нагрузки в этом случае результаты испытаний наиболее точные. Вместе с тем, для исследования колец из композицион- ных материалов метод испытания гидростатическим давле- нием используется крайне редко. Дело в том, что часто коль- ца из композиционных материалов отличаются повышенной прочностью. В связи с этим, разрушения имеют место при достаточно больших значениях давлений. В этом случае из-за различных утечек, сопровождающих процесс испы- таний, техническая реализация эксперимента становится затруднительной, а сама система становится объектом вы- сокого давления и должны соответствовать требованиям, предъявляемым к такой системе. Испытания «бразильского» кольца Техническое осуществление испытаний на растяжение многих типов композиционных материалов с хрупкой матри- цей и, особенно, керамических материалов бывает крайне за- труднительным. Одним из методов определения прочности чества цанговых секторов при данном способе нагружения кольца практически удается добиться равномерного распре- деления деформации [8] по окружности образца и прибли- зить испытания к условиям реальной работы несущего коль- ца в «блинговых» конструкциях. Очевидно, что при данной схеме испытаний реализация этого метода при повышенных температурах не представля- ет большой сложности. Выводы В рамках данной работы проведен сравнительный ана- лиз существующих и перспективных методов проведения испытаний кольцевых образцов из композиционных матери- алов с целью оценки их эффективности в части определения механических свойств. Определены преимущества и недо- статки каждого метода. Определено, что с точки зрения экспресс оценки харак- теристик образцов композиционного материала может быть использована методика испытания полудисками и испыта- ния по методике «бразильского кольца». Тем не менее, наиболее достоверные результаты прочностных характеристик кольцевых образцов из ком- позиционных материалов могут быть получены при про- ведении испытаний с использованием цангового приспо- собления. image Р РN QN QX QX R BK Z X L H Р Рис. 6. Схема испытаний кольцевого образца при помощи цангового приспособления

About the authors

Mikhail Mikhailovich Polovin

PJSC Irkut Corporation

Email: polovin@inbox.ru
Leading Design Engineer Moscow, Russian Federation

Egor Vadimovich Nazarov

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: e.nazarov@mai.ru
Head of Composite Materials Laboratory NIO-101 Moscow, Russian Federation

Evgeniy Vasilyevich Zhuravlev

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: zhuravlevev@mai.ru
Head of Product Life Cycle Management Laboratory, NIO-101 Moscow, Russian Federation

Denis Sergeevich Shavelkin

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: dshavelkin@inbox.ru
Assistant of the Department 101 “Design and Certification of Aviation Equipment” Moscow, Russian Federation

References

Supplementary files