Оценка эффективности ремонтных мероприятий возможных повреждений элементов летательных аппаратов из композиционных материалов

АННОТАЦИЯ

В процессе эксплуатации летательных аппаратов (ЛА) могут возникать различные повреждения их элементов. Это может происходить из за воздействия атмосферных осадков, по причине конструктивных и производственных дефектов, а так же возможных нарушений условий ТО. Как правило, большинство повреждений приводит к потере элементов ЛА работоспособного состояния. Такие изделия снимают с эксплуатации и, если они ремонтопригодны, отправляют в ремонт. Ремонт поврежденных элементов проводится в соответствии с картой технологического ремонта (КТР). Если в недалеком прошлом КТР воздушных судов представляла собой инструкцию по ремонту изделий преимущественно из металлов, то в настоящее время, учитывая постоянное усовершенствование конструкций узлов и агрегатов ЛА и замены металлов на современные и обладающие большей весовой эффективностью композиционные материалы (КМ), встает вопрос о создании КТР для элементов ЛА из КМ. В данной работе представлен анализ эффективности (с точки зрения восстановления прочности) ремонтных мероприятий повреждений элементов ЛА из КМ на примере композитных пластин.  

ABSTRACT

During the operation of aircraft, various damage to their elements may occur. This may occur due to the impact of atmospheric precipitation, due to design and manufacturing defects, as well as possible violations of the maintenance conditions. As a rule, most of the damage leads to the loss of the elements of the aircraft working condition. Such products are taken out of service and, if they are repairable, sent for repair. Repair of damaged elements is carried out in accordance with the technological repair map (CTP). If in the recent past, the KTR of aircraft was a manual for the repair of metal products, now, taking into account the constant improvement of the designs of aircraft components and assemblies and the replacement of metals with modern and more weight-efficient composite materials, the question arises of creating a KTR for aircraft elements from KM. This paper presents an analysis of the effectiveness (in terms of strength recovery).

Ключевые слова: ремонт, повреждения ЛА, композиционный материал, Nastran.

Keywords: repair, aircraft damage, composite material, Nastran.

Оценка эффективности ремонта поврежденных элементов ЛА проведена на примере пластин (со стандартизированными для этих целей размерами) из КМ.  Для этой цели рассматриваются четыре задачи. Первая задача – анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) пластины под воздействием сил растяжения без имитации дефекта. Вторая задача – анализ НДС пластины с имитацией дефекта. Третья задача – анализ НДС пластины с ремонтом дефекта и фрезеровкой зоны дефекта. Четвертая задача – анализ НДС пластины с ремонтом дефекта с фрезеровкой. После выполнения указанных задач появляется возможность произвести сравнительную оценку полученных результатов и сделать выводы об эффективности ремонта пластины с точки зрения восстановления прочности.

Для определения НДС использован метод  конечных элементов в среде MSC/Nastran [1,2].

Для моделирования всех элементов пластины из КМ выбран трехмерный элемент CHEXA (рис.1) [1,2].

Рисунок 1. Конечно-элементная (FE) модель пластины из КМ

Размеры и форма дефекта пластины представлены на рис.2.

Рисунок 2. FE - модель пластины из км с дефектом без ремонта

FE - модель пластины с ремонтом дефекта без фрезеровки представлена на рис.3. В данной модели в зону дефекта пластины вклеен вкладыш соответствующей формы, который восстанавливает геометрическую форму дефектной пластины. Вкладыш, так же как и пластина, состоит из композиционного материала. Соединение вкладыша и пластины осуществляется при помощи клеевого слоя толщиной 0,2 мм.

Рисунок 3. FE - модель пластины из км с ремонтом дефекта без фрезеровки

FE - модель пластины с ремонтом дефекта и предварительной фрезеровкой зоны дефекта представлена на рис.4. Предполагалось, что предварительная фрезеровка зоны дефекта пластины с высотой ступенек фрезеровки 0,6 мм будет способствовать восстановлению прочности пластины в большей степени, чем ремонт без предварительной фрезеровки [3].

Рисунок 4. Конечно-элементная (FE) модель пластины из км с ремонтом дефекта и предварительной фрезеровкой зоны дефекта

FE – модель пластины нагружается одним типом нагрузки - узловым. Величина узловой нагрузки является номинальной и составляет 1722 Н.

Узловые закрепления задаются в виде заделки группы узлов с одного торца пластины и катка на противоположном торце пластины. Узловые закрепления и способ приложения нагрузки указан на рис.5.

Рисунок 5 Способ закрепления пластины и способ приложения нагрузки

Проведен линейный статический анализ пластины без дефекта. НДС пластины представлено на рис.6.

Рисунок 6. НДС пластины без дефекта и распределение напряжений Мизеса (МПа)

Проведен линейный статический анализ пластины с дефектом без ремонта. НДС пластины представлено на рис.7.

Рисунок 7. НДС пластины с дефектом без ремонта и распределение напряжений Мизеса (МПа)

Проведен линейный статический анализ пластины с ремонтом дефекта без предварительной фрезеровки. НДС пластины представлено на рис.8.

Рисунок 8. НДС пластины с отремонтированным дефектом без фрезеровки и распределение напряжений Мизеса (МПа)

Проведен линейный статический анализ пластины с ремонтом дефекта с предварительной фрезеровкой. НДС пластины с деталировкой в зоне отфрезерованных ступенек представлены на рис.9.

Рисунок 9. НДС пластины с дефектом без ремонта и распределение напряжений Мизеса (МПа)

Заключение

Результаты анализа прочности пластин сведены в таб.1.

Таблица 1.

Результат анализа прочности пластины

Из этих результатов видно, что деформированное состояние пластины без дефекта, при воздействии продольной нагрузки, представляет собой растяжение, тогда как деформированное состояние пластины с дефектом без ремонта и пластины с отремонтированным дефектом представляет собой преимущественно изгиб. При этом прочность пластины с дефектом составляет 50% от прочности пластины без дефекта. Прочность пластины с отремонтированным дефектом восстанавливается до ~ 65% от значений прочности пластины без дефекта. При этом способ ремонта, в виде вклеивания вкладыша, без предварительной фрезеровки зоны дефекта не имеет практически значимого отличия, с точки зрения восстановления прочности, от способа ремонта при котором зона ремонта предварительно фрезеруется.

Список литературы:

1. Рычков С.П. MSC.visualNASTRAN для Windows / Рычков С.П. – М.: НТ Пресс, 2004. – 552с.
2. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. – M.: ДМК, 2001. – 446с.