ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2013
ТЕХНОГЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 629.7.015.4.539.43
© 2013 г. Нестеренко Б.Г., Нестеренко Г.И.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ САМОЛЕТОВ ПО УСЛОВИЯМ ПРОЧНОСТИ
Анализируются требования к усталости и живучести конструкций транспортных самолетов, сформулированные в Нормах США FAR 25.571, АС 20-107В и в Нормах России АП 25.571. Приведены данные о ресурсах зарубежных и отечественных длительно эксплуатируемых и новых самолетов. Сравниваются характеристики прочности, усталости и трещиностойкости зарубежных и отечественных усовершенствованных алюминиевых сплавов. Показано внедрение композиционных материалов в конструкциях различных моделей отечественных и зарубежных самолетов. Отмечаются различия в закономерностях разрушения алюминиевых сплавов и композиционных материалов.
Важной проблемой самолетостроения является одновременное обеспечение высокой долговечности, минимального веса, экономической эффективности и безопасной эксплуатации конструкций транспортных самолетов. Свойства конструкций и их надежность в эксплуатации зависят от требований Норм по усталости и живучести.
Нормы по усталости и живучести. В табл. 1 и 2 представлено совершенствование Норм по усталости и живучести конструкций транспортных самолетов за 55-летний период [1—9, 13]. В Нормах используются следующие термины и определения.
Безопасный ресурс (safe-life) — полеты или полетные часы, в течение которых мала вероятность снижения прочности ниже нормированного расчетного значения (pP) из-за образования усталостных трещин.
Безопасность разрушения (fail-safe) — свойство конструкции, которое позволяет ей сохранять необходимую остаточную прочность (рЭ) в течение короткого периода эксплуатации без ремонта, после явно обнаруживаемого полного или частичного разрушения основного силового элемента, вызванного различными причинами.
Допустимость повреждения (damage tolerance) — свойство конструкции, которое позволяет ей сохранить требуемую остаточную прочность (рЭ) за интервал времени её контроля неразрушающими методами, в течение которого конструкция подвергается определенной степени усталостного, коррозионного, случайного повреждения или повреждения от дискретного источника.
Обширное усталостное повреждение (widespread fatigue damage — WFD) — одновременное наличие трещин существенного размера и плотности расположения во многих элементах конструкции, вследствие чего конструкция не сможет больше отвечать тре-
Эволюция норм США FAR 25.571 по усталости и живучести конструкций транспортных самолетов
Нормы Рекомендательный циркуляр Дата принятия Основные принципы обеспечения ресурса
CAR 4b.270 1956 Safe-life либо fail-safe
FAR 25.571 Поправка 45 AC 25.571-1 1978 Damage tolerance (равноправность damage tolerance и fail-safe)
FAR 25.571 Поправка 72 1990 Damage tolerance (удалена ссылка на fail-safe)
FAR 25.571 Поправка 96 AC 25.571-C 1998 Fail-safe, damage tolerance, WFD
FAR 26.part 26 2008 Летная годность и безопасность стареющих самолетов, damage tolerance
FAR 25.571 AC 25.571-1D 2011 Safe-life, damage tolerance, WFD, LOV
Таблица 2
Эволюция норм СССР НЛГС и России АП 25.571 по усталости и живучести конструкций
транспортных самолетов
Нормы Методы обеспечения соответствия (МОС) Дата принятия Основные принципы обеспечения ресурса
НЛГС-1 1967 Safe-life
НЛГС-2 1974 Safe-life
НЛГС-2 поправка 2 к части 4 1976 Safe-life или эксплуатационная живучесть (damage tolerance и fail-safe)
НЛГС-3 1984 Safe-life или эксплуатационная живучесть (damage tolerance и fail-safe)
Авиационные Правила АП 25.571 1994 Эксплуатационная живучесть (damage tolerance и fail-safe)
МОС 25.571 1996 Эксплуатационная живучесть (damage tolerance и fail-safe), WFD
АП 25.571 2004 Эксплуатационная живучесть (damage tolerance и fail-safe), WFD
АП 25.571 2009 Эксплуатационная живучесть (damage tolerance и fail-safe), WFD
бованиям допустимости повреждения (т.е. сохранять необходимую остаточную прочность (рЭ).
Многоочаговое повреждение (multiple site damage — MSD) — частный случай обширного усталостного повреждения, характеризующийся одновременным наличием усталостных трещин в одном и том же элементе конструкции (т.е. усталостные трещины, которые могут соединяться или нет с другими повреждениями и приводить к потере необходимой остаточной прочности).
Многоэлементное повреждение (multiple element damage — MED) — частный случай обширного усталостного повреждения, характеризующийся одновременным наличием усталостных трещин в сопряженных элементах конструкции.
Связь катастроф воздушных судов с изменением Норм летной годности
Год Самолет, место Причина катастрофы Изменения в нормы, дополнительные требования
США
1954 "Комета", Средиземное море Разрушение фюзеляжа из-за усталостных трещин обшивки в вырезе под окно Безопасный ресурс (safe-life) и безопасное разрушение (fail-safe)
1977 Боинг 707, Замбия, Лусака Разрушение горизонтального оперения из-за усталостной трещины в зоне лонжерона стабилизатора Допустимость повреждений (damage tolerance)
1988 Боинг 737, Гавайи Разрушение верхнего сегмента передней части фюзеляжа из-за многоочаговых трещин в обшивке Множественные усталостные повреждения (MSD, MED, WFD). Ограничение ресурса (LOV)
СССР
1972 Ан-10А, Харьков Разрушение крыла из-за обширных усталостных повреждений в нижней поверхности крыла Эксплуатационная живучесть (fail-safe, damage tolerance, MSD,WFD)
Эксплуатационная живучесть — обобщенный термин, включающий в себя безопасность разрушения и допустимость повреждения.
Предел достоверности (limit of validity — LOV) — длительность эксплуатации в полетах, летных часах, до которой показано, что установленных в эксплуатационных документах на основе данных испытаний, расчетов и, если доступно, опыта, замен, ремонтов и интервалов осмотров достаточно для предотвращения обширных усталостных повреждений.
Главный силовой элемент (principle structural element — PSE) — элемент, который воспринимает значительную часть полетных, наземных, нагрузок или нагрузок от избыточного давления, и разрушение которого может привести к аварии или катастрофической ситуации.
Поводом для изменения Норм являлись происходящие катастрофы самолетов из-за усталостного разрушения конструкций (табл. 3) [1, 6]. В соответствии с современными Нормами и практикой основными методами обеспечения безопасности эксплуатации конструкций самолетов являются одновременное обеспечение безопасности разрушения и допустимости повреждения. Метод безопасного ресурса применяется в том случае, если заявитель сертификации самолета установил, что непрактично применять метод допустимости повреждения [2]. Примером конструкции, в которой неприменим принцип допустимости повреждения, являются шасси [2].
Как правило, характеристики допустимости повреждения определяются испытаниями и надежными детерминистическими методами расчета [2] на основе линейной механики разрушения.
При анализе допустимости повреждения должны приниматься начальные производственные дефекты (трещины). На рис. 1 представлены размеры начальных дефектов, основанных на опыте ВВС США (рис. 1, б) [1, 4] и на опыте ЦАГИ (рис. 1, а).
В соответствии с рекомендациями ФАА и ВВС США, в том случае, когда первичное повреждение и его рост начинается в крепежном отверстии, должно рассматриваться непрерывное повреждение в виде уголковой трещины, расположенной на диаметрально противоположной стороне крепёжного отверстия [4]. В соответствии с реко-
а - МОС АП 25,571
Тонкий лист
Толстый лист
0,5
0,5
i
Галтельный переход 2,5
0,5 х 0,5
0,5 х 0,5
б - MIL-A-83444
1 рви ■ f
0,125 х 0,125
1,25 х 1,25 Рис. 1
0,125 х 0,125
отв
d
^отв dотв
отв
мендациями ЦАГИ следует рассматривать только двухстороннюю трещину у отверстия.
Подтверждение отсутствия обширных усталостных повреждений за время эксплуатации самолетов и определение предела достоверности осуществляется на основе данных полномасштабных испытаний на усталость, после которых проводятся испытания на остаточную прочность, затем следует инспекция с демонтажем конструкции [2].
Продолжительность комплексных испытаний конструкции на усталость должна быть не менее двух пределов достоверности. Рекомендуется проводить испытания продолжительностью в три предела достоверности [2]. В [8] приведен пример по эксплуатационному обслуживанию самолета: точка модификации, ремонта или замены конструкции (LOV) равна половине средней долговечности до образования обширных усталостных повреждений; точка начала осмотров равна трети до образования обширных усталостных повреждений.
Начало осмотров зависит от типа конструкции [1,2]: когда может быть показано путем расчетов или испытаний, что разрушение пути передачи нагрузки в "безопасно разрушаемой (fail-safe)" многопутной конструкции или частичное разрушение в "безопасно разрушаемой" конструкции с торможением трещины можно обнаружить и отремонтировать до разрушения остальной конструкции, тогда начало осмотров может быть установлено, используя: расчеты и испытания на усталость с соответствующими коэффициентами надежности; или расчеты и испытания на медленный рост трещин от соответствующего начального производственного дефекта.
Для конструкции с однопутным нагружением, а также для "безопасно разрушаемой" конструкции с многопутным нагружением и с торможением трещин, где невозможно продемонстрировать, что разрушение пути передачи нагрузки, частичное разрушение или торможение трещины можно обнаружить и отремонтировать в течение обычного технического обслуживания, осмотра или эксплуатации самолета до разрушения остальной конструкции, начало осмотров должно быть установлено на основе анализа или испытаний на рост трещины, предполагая, что конструкция содержит начальный дефект максимально вероятного размера, который может существовать как результат повреждения в производстве или эксплуатации.
Оценка остаточной прочности должна показать, что при достижении предельного состояния конструкц
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.