Система експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з’єднань авіаконструкцій із композиційних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДК 629.735

система експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань авіаконструкцій із композиційних матеріалів

05.07.02 проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

Двейрін Олександр Захарович

Київ 2015

Дисертація є рукописом

Роботу виконано на ДП «Антонов» Міністерства економічного розвитку і торгівлі України.

Науковий керівник: Академік НАН України,

доктор технічних наук, професор

Ківа Дмитро Семенович,

ДП «Антонов»,

Президент- Генеральний конструктор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гайдачук Віталій Євгенович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», професор кафедри конструкцій

і проектування ракетної техніки

доктор технічних наук, професор

Вишняков Леон Романович,

Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевича НАН України,

завідувач відділу

Захист відбудеться « 4 » червня 2015 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.06 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розіслано «_____» _________ 2015 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Ю. Корчук

Анотація

Двейрін О.З. Система експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань авіаконструкцій з композиційних матеріалів. - На правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом

05.07.02 проектування, виробництво і випробування літальних апаратів. - Національний авіаційний університет, Київ, 2015.

Дисертація присвячена проблемі зростання якості й експлуатаційних характеристик вітчизняних повітряних суден транспортної категорії за рахунок підвищення точності й достовірності розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань деталей авіаконструкцій з композитів шляхом розроблення і реалізації комплексної системи методів і засобів визначення міцності матеріалів на зминання, зріз і міжшаровий зсув, а також коефіцієнтів концентрації напружень і податливості кріпильних елементів, що максимально враховують характер навантаження з'єднань.

Містить теоретичні й практичні результати, які включають аналітичний огляд стану проблеми розрахунково-експериментального забезпечення проектування агрегатів літаків з полімерних композиційних матеріалів з механічними з'єднаннями деталей; нові й модифіковані методи і засоби визначення міцності з'єднань досліджуваного класу на зминання, зріз і міжшаровий зсув; методику, зразки і пристрої для експериментального визначення концентрації напружень в зоні кріпильних елементів; аналіз їх податливості, а також основні аспекти реалізації розробленої системи експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань деталей з полімерних композитів.

Результати дослідження і рекомендації роботи реалізовано на ДП «Антонов» при розробленні доказових документів відповідності нормам льотної придатності АП-25 для сертифікації вітчизняних повітряних суден транспортної категорії, а також в процесі проектування агрегатів з полімерних композитів літаків Ан-140, Ан-148, Ан-158 і їх модифікацій і в навчальному процесі підготовки кадрів для авіаційної галузі України в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут».

Ключові слова: авіаційна техніка, механічні з'єднання, полімерні композити, комплексна система експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування, зминання, зріз, міжшаровий зсув, концентрація напружень, податливість.

Аннотация

Двейрин А.З. Система экспериментального обеспечения расчета на прочность и проектирования механических соединений авиаконструкций из композиционных материалов. - На правах рукописи.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. - Национальный авиационный университет, Киев, 2015.

Диссертация посвящена проблеме роста качества и эксплуатационных характеристик отечественных воздушных судов транспортной категории за счет повышения точности и достоверности расчета на прочность и проектирования механических соединений деталей авиаконструкций из композитов путем разработки и реализации комплексной системы методов и средств определения прочности материалов на смятие, срез и межслойный сдвиг, а также коэффициентов концентрации напряжений и податливости крепежных элементов, максимально учитывающих характер нагружения соединений.

Проведена дифференциация комплексной проблемы создания отечественных гражданских самолетов транспортной категории, позволившая среди основных составляющих этой проблемы выделить необходимость разработки системы экспериментального обеспечения расчета на прочность механических соединений деталей агрегатов из полимерных композитов.

Впервые разработана система экспериментального определения прочности композитных деталей на смятие в механических соединениях, включающая в себя специальный образец и приспособление, обеспечившая существенное повышение точности результатов при снижении трудоемкости испытаний и расхода материалов.

На базе модифицированных методик и авторских разработок синтезирован комплекс способов, образцов и устройств для определения прочности на срез элементов соединения и на межслойный сдвиг. Установлены условия реализации среза от края детали и направление срезающего усилия относительно схемы армирования композита. Получена приближенная зависимость для прогнозирования прочности сложноармированного композита на срез.

Теоретически, экспериментально и МКЭ исследована концентрация напряжений у отверстия в композите и установлено, что она существенно зависит от уровня нагружения крепежных элементов

Модифицированы методика и образцы для экспериментального определения коэффициента податливости элементов механического соединения. Установлены области различной чувствительности соединения к точности оценки параметров его элементов.

Результаты исследования и рекомендации работы реализованы на ГП «Антонов» при разработке доказательных документов соответствия нормам летной годности АП-25 для сертификации отечественных воздушных судов транспортной категории, а также в процессе проектирования агрегатов из полимерных композитов самолетов Ан-140, Ан-148, Ан-158 и их модификаций и в учебном процессе подготовки кадров для авиационной отрасли Украины в Национальном аэрокосмическом университете им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт».

Ключевые слова: авиационная техника, механические соединения, полимерные композиты, комплексная система экспериментального обеспечения расчета на прочность и проектирования, смятие, срез, межслойный сдвиг, концентрация напряжений, податливость.

Summary

Dveyrin A.Z. The system of experimental providing of strength analysis and design of mechanical joints in aircraft constructions from composite materials. - Manuscript.

Thesis for the candidate of technical sciences degree, specialty 07.05.02 - design, manufacturing and testing of aircrafts. - National aviation university, Kiev, 2015

The dissertation is devoted to the problem of quality and operating characteristics increasing of domestic transport aircrafts by improving the accuracy and reliability of strength analysis and design of mechanical joints in aircraft constructions from composite materials by development and implementation of a complex system of methods and means of determining the strength of the materials on bearing stress, shear, interlayer displacement and stress concentration factors and fasteners compliance, which maximally considers character of joints loading.

It contains theoretical and practical results which include analytical review of state of the problem of calculation-experimental providing of design of aircraft aggregates from polymeric composite materials with mechanical joint of details; new and modified methods and means for determining the strength of joints in considered class on bearing stress, shear, interlayer displacement; technique, samples and equipment for experimental determination of stress concentration in the area of fastening elements; analysis of its compliance, as well as main aspects of implementation of developed system of experimental providing of strength analysis and design of mechanical joints of parts from polymer composites.

The results of the research and recommendations of the work are implemented on ANTONOV COMPANY during development of evidential documents of conformity to norms of airworthiness AP-25 for certification of domestic transport aircrafts, as well as in the design process of units from polymeric composite materials of airplanes AN-140, AN-148, AN-158 and their modifications; and in educational process of personnel training of specialists for Ukraine aviation industry in National aerospace university “Kharkiv aviation institute”.

Keywords: aircraft, mechanical joint, polymer composite, integrated system of experimental providing of strength analysis and design, bearing stress, shear, interlayer displacement, stress concentration, compliance.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення конкурентоздатних на ринку продажів і послуг вітчизняних цивільних повітряних суден (ПС) транспортної категорії (ТК) включає складну комплексну проблему, що містить ряд принципових складових, серед яких важливе місце займає вибір ефективних конструкційних матеріалів, що забезпечують зниження дорогої маси агрегатів при високих питомій міцності й жорсткості.

Досвід світового і вітчизняного літакобудування свідчить про те, що такими матеріалами є полімерні композиційні матеріали (ПКМ), обсяг застосування яких в агрегатах ПС ТК безперервно зростає, досягаючи сьогодні 25…30 %. Однак анізотропія фізико-механічних характеристик (ФМХ) та інші специфічні особливості потребує для реалізації високих потенційних можливостей ПКМ розроблення нових методів розрахунку на міцність при проектуванні композитних деталей і вузлів агрегатів ПС ТК і, в першу чергу, локальних зон їх механічних з'єднань з дискретними кріпильними елементами.

У той же час точність математичних моделей, що реалізують розрахункові схеми цих з'єднань, особливо для відповідальних силових елементів агрегатів, не завжди відповідає вимогам до методів забезпечення відповідності (МЗВ) норм льотної придатності при сертифікації ПС ТК, що посилює роль експериментальної бази доказових документів. Існуюча система експериментального забезпечення розрахунку і проектування не враховує повною мірою особливості роботи композитної деталі в з'єднанні. До цих неврахованих особливостей належать анізотропія властивостей, границі міцності на зріз, зминання, концентрація напружень біля отворів, податливість елементів та ін. Таким чином, розроблення системи експериментального забезпечення розрахунків механічного з'єднання, яка максимально враховувала б особливості роботи ПКМ поблизу дискретних зв'язків, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У дисертації використано дослідження, виконані здобувачем у рамках реалізації науково-технічної програми «Продукція авіаційної промисловості» на ДП «Антонов», а також з науково-дослідної та дослідно-конструкторської роботи «Експериментальне забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань деталей з композиційних матеріалів» у 2010 - 2011 рр., фундаментальної держбюджетної теми ДР 0111U101506 Міністерства освіти і науки України «Технологічна механіка інтегральних конструкцій авіаційної техніки з полімерних композиційних матеріалів» (2012 - 2014 рр.), спрямованих на виконання Державної комплексної програми розвитку авіаційної промисловості України до 2010 року і стратегії розвитку вітчизняної авіаційної промисловості до 2020 року.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є зниження маси авіаконструкцій за рахунок застосування ПКМ і підвищення експлуатаційних характеристик, точності та достовірності розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань композитних деталей шляхом розроблення та реалізації комплексної системи методів і засобів визначення міцності матеріалів на зминання, зріз і міжшаровий зсув, а також коефіцієнтів концентрації напружень і податливості елементів з'єднання, які враховують характер їх навантаження.

Для досягнення цієї мети було сформульовано і вирішено такі задачі:

- розроблено та апробовано методи і засоби для визначення міцності шаруватих композитів на зминання з урахуванням анізотропії і послідовності укладання шарів по товщині, на основі чого для широко використовуваного на ДП «Антонов» вуглепластика синтезовано інженерні розрахункові залежності;

- запропоновано ефективні зразки та пристрої для експериментального визначення міцності композита на зріз і міжшаровий зсув, а за результатами досліджень обґрунтовано практичні рекомендації для розробників;

- синтезовано методику і засоби експериментального визначення коефіцієнта концентрації напружень на межі кріпильного елемента у вуглепластику, що дозволяють досліджувати зниження несучої здатності композитної деталі, пов'язаної з характером розподілу зусиль у багаторядному з'єднанні;

- для розрахунку розподілу зусиль по рядах кріпильних елементів механічного з'єднання розроблено експериментальне забезпечення для визначення коефіцієнтів податливості з урахуванням характеру навантаження;

- на ДП «Антонов» реалізовано комплексну систему експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань деталей агрегатів літака з ПКМ, що забезпечує документальний супровід методів забезпечення відповідності нових ПС ТК та їх модифікацій умовам і вимогам їх сертифікації.

Об'єкт дослідження - механічні з'єднання деталей агрегатів ПС ТК з ПКМ.

Процес дослідження - комплексна система експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань деталей агрегатів літака з ПКМ.

Методи досліджень. При синтезі методів і засобів визначення міцності механічних з'єднань композитних деталей на зминання (розділ 2) використано методи планування експерименту, статистичні методи оброблення вимірювань. Розроблення методів, зразків і пристроїв для дослідження міцності композитів на зріз і міжшаровий зсув у механічних з'єднаннях деталей (розділ 3) ґрунтувалося на основних положеннях механіки композиційних матеріалів, а також на використанні вітчизняних і зарубіжних стандартних методів випробувань зразків.

При розробленні методики і засобів для експериментального визначення концентрації напружень на межі кріпильного елемента механічного з'єднання композитних деталей (розділ 4) використовувалися критерії міцності ортотропних матеріалів максимальних деформацій і напружень, Мізеса-Хілла, метод скінченних елементів, стандартні методи статичних випробувань, тензометрії, а також методи і засоби експериментального визначення коефіцієнта концентрації напружень.

При аналізі й обґрунтуванні методики визначення коефіцієнта податливості та апробації оцінки точності запропонованого методу (розділ 5) використано штатні методи та зразки для випробувань моделі композитного з'єднання.

Реалізація системи експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань композитних деталей агрегатів ПС ТК на ДП «Антонов» базується на аналізі досвіду застосування деталей з ПКМ в агрегатах літаків Ан-140, Ан-148, Ан-158.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше для авіаконструкцій з композитів синтезовано цілісну систему експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань, яка включає нові й модифіковані методи, зразки і пристрої для визначення міцності полімерних композитів на зминання, зріз і міжшаровий зсув, що дозволяють враховувати анізотропію і структурні особливості матеріалу.

Отримали подальший розвиток:

- спосіб і засоби визначення коефіцієнта концентрації напружень біля отвору, навантаженого регламентованим зусиллям, що імітує вплив кріпильного елемента;

- модифіковані методика і зразки для експериментального визначення коефіцієнтів податливості кріпильних елементів.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Запропоновані методи і засоби визначення міцності композиту на зминання дозволяють проводити експерименти на універсальних випробувальних машинах без використання складних інструментів та обладнання, скоротити витрату матеріалу в 4 - 6 разів у порівнянні з існуючими нормативними документами і знизити трудомісткість виготовлення зразків у 3 - 4 рази.

2. Синтезовано й обґрунтовано інженерні залежності для прогнозування міцності на зминання базового вуглепластика конструкцій літаків ДП «Антонів».

3. Проведено експериментальні дослідження анізотропії міцності композита на зріз від отвору до краю деталі, на основі яких установлено типові види руйнування. Запропоновані конструкція зразка та випробувального пристрою дозволили знизити в кілька разів витрати матеріалу і трудомісткість проведення дослідів, а також підвищити надійність результатів випробувань.

4. На основі використання модифікованих зразків і пристроїв експериментально визначено коефіцієнти податливості болта із сталі 30ХГСА діаметром 4...8 мм у з'єднанні вуглепластикової деталі товщиною 3...6 мм з дюралюмінієвими (Д16АТ) накладками товщиною 1,4... 5 мм і сталевими (1Х18Н9Т) - товщиною 1,5...5 мм, що охоплюють практично весь діапазон застосовуваних на ДП «Антонов» механічних з'єднань композитних деталей агрегатів.

5. Розроблена комплексна система експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань композитних деталей стала вагомою складовою у доказовій документації відповідності ПС ТК вимогам норм льотної придатності АП-25 при їх сертифікації.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані здобувачем особисто:

- Обгрунтування необхідності визначення межі міцності на зминання від напрямку навантаження, запропоновані методика, конструкція зразка та випробувального пристрою для визначення міцності композита на зминання [2,4,8] ;

- Синтезовано комплекс способів, зразків та пристроїв для визначення міцності композита на зріз від отвору до краю деталі та на міжшаровий зсув, на основі оброблення результатів експериментів отримано інженерну залежність для прогнозування міцності складно армованого базового ПКМ на зріз [1,3,9];

- Постанова задачі дослідження концентрації напружень біля отвору, навантаженому регламентованим зусиллям, що передається кріпильним елементом, аналіз результатів розрахунків і експериментів, апроксимація залежності коефіцієнта концентрації напружень стандартного зразка з ненавантаженим порожнім отвором від співвідношення діаметра отвору зразка і товщини зразка [5, 6,12];

- Модіфіковано методику і зразки для експериментального визначення коефіцієнтів податливості кріпильних елементів і композитної деталі в механічному з'єднанні, встановлені області різного ступеня чутливості з'єднання до точності параметрів податливості його елементів при проектуванні [7,15,16] ;

- Розроблена комплексна система експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з' єднань авіаконструкцій з композиційних матеріалів [13, 14].

Постановка задачі, аналіз і трактування основних результатів, формулювання висновків виконано спільно з науковим керівником..

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися на міжнародних конференціях і форумах, у тому числі: на XXVII - XXIX міжнародних науково-практичних конференціях «Композиційні матеріали в промисловості (Славполіком)», м. Ялта, АР Крим (2007 - 2009 рр.); на 7-му міжнародному авіаційно-космічному салоні «Авіасвіт-XXI», м. Київ (2010 р); на технічних конференціях українського відділення Міжнародного суспільства просування матеріалів і технологій (SAMPE), м. Київ, (2011, 2013 рр.); на щорічній міжнародній конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні (ІКТМ)», м. Харків; на III міжнародній науково-практичній конференції «Ефективність стільникових конструкцій у виробах авіаційно-космічної техніки», м. Дніпропетровськ (2009 р.).

Публікації. Основний зміст роботи міститься в 20 працях, з них 17 статей
(3 без співавторства) в збірниках, включених до переліку наукових видань України для публікації результатів кваліфікаційних робіт, 1 стаття в журналі, що входить до міжнародної наукометричної бази даних, 3 публікації в матеріалах конференцій і тезах доповідей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, викладена на 162 сторінці машинописного тексту, у тому числі основний текст дисертації становить 142 сторінки, що включають 73 ілюстрації, 38 таблиць, список використаних джерел із 122 найменувань і додатка на 2 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання роботи, її наукову новизну, практичне значення результатів, особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію, публікації і структуру дисертації.

У першому розділі проведено диференціацію комплексної проблеми створення вітчизняних літаків транспортної категорії (рис. 1). Виконано аналіз одного з важливих секторів декомпозиції прийняття проектних рішень, який взаємозв'язує складові вибору ефективних конструкційних матеріалів, орієнтований на полімерні композити, аналіз синтезу конструктивно-силових схем агрегату і синтезу конструктивно-технологічних рішень вузлів і деталей (рис. 2).

Показано, що перманентно наростаючий обсяг і відповідальність деталей з полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) в агрегатах літальних апаратів (ЛА), у тому числі повітряних судах (ПС) транспортної категорії (ТК), забезпечують істотне зниження їх маси за рахунок високих питомих характеристик міцності, жорсткості й керованої анізотропії властивостей. Однак у нерегулярних зонах ПКМ поступаються за міцністю і ресурсом конструкційним металам, особливо в широко застосовуваних механічних з'єднаннях деталей з дискретними кріпильними елементами. У цих зонах виявляється низька контактна і міжшарова міцність, а також інші особливості композитних механічних з'єднань.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Основні складові комплексної проблеми реалізації проекту ПС ТК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 - Принципова блок-схема декомпозиції прийняття проектних рішень

конструкційний полімерний силовий деталь

У розділі проведено аналітичний огляд і аналіз стану проблеми розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань композитних деталей, а також їх експериментального супроводу. Відзначено великий внесок у вирішення обговорюваної проблеми вітчизняних учених С.Г. Лехницького, Г.М. Савіна, В.В. Горобця, О.С. Сироткіна, Я.С. Карпова, а також зарубіжних дослідників.

Показано, що для розрахунку механічних з'єднань на міцність традиційно використовується система рівнянь, в якій розглядається не реальний напружений стан, а умовний, коли навантаження приведені до певних площ і отримані напруження порівнюються з граничними експериментально визначеними значеннями. Міцність з'єднання гарантується в тому випадку, якщо для кожного з розглянутих видів руйнування (розрив в ослабленому перерізі, зминання, зріз кріпильних елементів (КЕ), зріз ПКМ між рядами або до краю деталі) умовні напруження знаходяться в межах допустимих значень.

Практика проектування механічних з'єднань показала, що існуюча система експериментів має обмежене застосування, оскільки не враховує повною мірою особливості роботи композитної деталі в з'єднанні. До цих неврахованих особливостей відносяться анізотропія фізико-механічних властивостей, відміну міцності на зріз (від міцності на зсув), залежність міцності на зминання від діаметра КЕ і структури ПКМ та ін. Таким чином, розробка системи експериментального забезпечення розрахунків механічного з'єднання, яка максимально враховувала б особливості роботи ПКМ поблизу отвору є актуальною. На закінчення розділу сформульовані мета і задачі дисертації.

Другий розділ присвячений розробці методики визначення міцності композита на зминання. Проведено оцінку величини відхилення напряму вектора результуючих зусиль, переданих кожним кріпильним елементом. Установлено, що відхилення складається з постійної і змінної складових. Постійна складова обумовлена коефіцієнтом Пуассона і її величина залежить від характеру передачі навантаження (рис. 3, а - в) і від структури компонентів з'єднання, але не від величини навантаження. Максимальне відхилення від поздовжньої осі з'єднання досягає 28... 46. За рахунок температурного навантаження змінна складова відхилення може досягати ±15. Таким чином, для коректного розрахунку навантаженого нормальним навантаженням з'єднання необхідно мати дані про зміну межі міцності на зминання в межах як мінімум ± 61 від напрямку навантаження. У разі комбінованого навантаження нормальним навантаженням і зсувом відхилення може досягати ± 90. Таким чином була обґрунтована необхідність оцінки межі міцності на зминання як функції кута повороту вектора в межах ± 90. Існуючі методики дозволяють провести вимірювання межі міцності на зминання тільки в напрямках 0 і 90, а для окремих структур ще й напрямку 45 (тобто тільки уздовж осей ортотропії пакета).

Не менш важливою проблемою є вибір ознаки досягнення межі міцності на зминання. Дослідження стандартів і джерел інформації з теорії проектування деталей машин показали, що в даний час використовуються два підходи: 1) зв'язують значення границі міцності на зминання через коефіцієнт до таких властивостей матеріалу, як границя міцності (для крихких матеріалів) і границя пластичності; 2) границю міцності розраховують при навантаженні, при якій залишкова овалізація отвору досягла наперед заданої величини, зазвичай у межах 4...6%, а для композитів за останніми рекомендаціями - 2% (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Вільні деформації з'єднаних деталей при різних варіантах навантаження: а - передача навантаження; б - повернення навантаження; в - підсилювальна накладка; г - температурне навантаження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Типова діаграма зминання отвору

Запропоновано і реалізовано на практиці оригінальний зразок матеріалу восьмикутної форми, що закріплюється у випробувальній машині по центру за допомогою вилки (рис. 5), який дозволяє побудувати діаграму анізотропії міцності на зминання при зниженні витрат матеріалу в 4 - 6 разів і скороченні трудомісткості експериментів у 3 - 4 рази. Для навантаження кріпильного елемента розроблено та виготовлено випробувальний пристрій, що відрізняється самоустановлюваними захоплювачами для компенсації похибок, автоматичним регульованим зусиллям притиснення захоплювачів до зразка-диску, що допускає як двостороннє, так і одностороннє (консольне) захоплення кріпильного елемента, і є придатним для випробування матеріалів на зминання і на зріз від отвору до краю зразка.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5 - Типовий зразок для випробувань на зминання с отворами діаметром від 3 до 8 мм

Для проведення серії експериментів з вуглепластиком на основі стрічки ЕЛУР 0,08П і зв'язуючого 5-211-БН, який є базовим матеріалом на ДП «Антонов», було проведено планування експериментів з метою зниження витрат на матеріали, а також трудовитрат на виготовлення зразків і проведення експериментів. За результатами проведених експериментів для вуглепластика на основі стрічки ЕЛУР 0,08П і зв'язуючого 5-211-БН синтезовано інженерну залежність для прогнозування міцності на зминання широкого спектра структур ПКМ і діаметрів кріпильних елементів 3, 4, 5, 6 і 8 мм, що має вигляд

, (1)

де - границя міцності на зминання, віднесена до границі міцності ПКМ вздовж волокон; - товщина зразка, віднесена до діаметра КЕ; - модуль пружності зразка уздовж головної осі анізотропії, віднесений до модуля пружності вздовж волокон; - кут між головною віссю ортотропії і напрямком зминаючої сили.

Розбіжність розрахункових за формулою (1) і одержуваних в експерименті значень для структури зразка [;;] наведено в табл. 1.

Таблиця 1 - Розбіжність розрахункових і виміряних значень напружень зминання для зразків зі структурою [;;]

	Напрямок навантаження зразка , °
	0	22,5	45	67,5	90
0,298	-5,90	0,24	0,18	-8,93	-21,80
0,356	8,25	4,36	4,21	-6,19	-2,46
0,464	-17,90	-17,66	-29,27	-29,94	-43,74
0,588	14,60	7,94	8,57	8,40	-0,08
0,899	-5,12	-5,21	1,51	2,07	-12,27

У третьому розділі на основі модифікації застосовуваних і розроблення відсутніх методик і з урахуванням досвіду дослідження міцності композита на зминання синтезовано комплекс способів, зразків і пристроїв для визначення міцності на зріз від отвору до краю деталі та на міжшаровий зсув. Запропоновано використати для визначення міцності на зріз зразки - диски круглої форми, аналогічні застосовуваним для випробування на зминання (рис. 5), в яких на необхідну відстань від краю просвердлюються отвори, а після випробування цього ряду диск обрізається, і експеримент повторюється. Таким чином, на одному зразку з різними діаметрами КЕ визначається міцність на зріз в різних напрямках. При цьому значно знижується витрата матеріалу. Навантаження проводиться за допомогою модифікованого пристрою, розробленого для зминання.

За результатами експериментальних досліджень виявлено можливі види руйнування при випробуванні на зріз і встановлено, що зріз у класичному розумінні спостерігається тільки для сильно анізотропних структур при навантаженні вздовж більш жорсткого напрямку, а для застосовуваних складно армованих композитів мають місце більш складні форми руйнування. На основі цього сформульовано рекомендації щодо необхідності постійного супроводу проектування експериментом, що дозволяють реалізувати запропоновані зразок і випробувальний пристрій.

На основі оброблення результатів проведених експериментів отримано інженерну квадратичну залежність для прогнозування міцності складно армованого базового ПКМ на зріз:

(2)

де - об'ємний вміст волокон-стопперів.

Показано, що міцності на зріз і на зсув у площині зразка є різними характеристиками і між ними відсутня будь-яка кореляція. Отримана залежність дозволяє оцінити границю міцності для пакетів будь-якої структури. У табл. 2 наведені значення межі міцності пакету ЕЛУР-008 П / 5-211-БН, а також дані оцінки міцності на зрушення за критеріями максимального напруження, максимальної деформації і Мізеса-Хілла.

Таблиця 2 - Границя міцності на зріз і на зсув пакетів із матеріалу ЕЛУР-008 П/5-211-БН

Об'ємний вміст волокон-стопперів	Номер зразка	Границя міцності на зріз, МПа	Границя міцності на зсув за критеріями максимальних напружень/максимальних деформацій/Мізеса-Хілла, МПа
0		21	21/21/21
0,12	3	59	26/17/26
0,18	1	84	26/17/24
0,30	2	146	32/22/30
0,42	4	224	39/27/36
0,60		371	21/21/21

Для зразків, призначених для визначення міжшарової міцності за чинними стандартами, виконано оцінювання нерівномірності розподілу дотичних напружень по поверхні зсуву і показано, що експериментальне значення міцності малоймовірно, що є позитивним фактором, однак зниження міцності може бути неприпустимо істотним.

На основі одновимірної моделі клейового з'єднання отримано залежність, що пов'язує похибку в оцінюванні міцності на міжшаровий зсув з пружними характеристиками матеріалу і геометрією робочої частини зразка

, (3)

де - довжина робочої зони зразка, віднесена до його товщини; - модуль пружності зразка вздовж осі навантаження, віднесений до модуля міжшарового зсуву.

Залежність дозволяє контролювати ступінь заниження міцності матеріалу на міжшаровий зсув при плануванні експерименту.

Отримано також формулу для визначення граничного значення відношення розмірів зразка залежно від пружних характеристик матеріалу за умови похибки 5% в оцінбванні міцності на міжшаровий зсув

. (4)

За результатами проведених експериментів для односпрямованого вуглепластика на основі стрічки ЕЛУР 0.08П і зв'язуючого 5-211-БН отримано значення міжшарової міцності на рівні 53,5 МПа при коефіцієнті варіації 3,5% і заниженні результату на 5,7% (табл. 3).

Згідно з отриманим значенням границі міцності на міжшаровий зсув (табл. 3) на основі перетвореної формули (3) було оцінено значення мінімальної відстані до краю, при якому можливе розшарування композитної деталі - 2,5.

Таблиця 3 - Результати випробувань на міжшаровий зсув зразків с укладанням 0°

Номер зразка	Розміри робочої зони зразка (середнє значення)	Площа, мм2	Зусилля, Н	Напруження, МПа
	ширина , мм	довжина , мм (відстань між пазами)
1	12,52	6,13	76,75	4200	54,72
2	12,61	6,04	76,16	4300	56,46
3	12,64	5,75	72,7	3850	52,96
4	12,55	6,06	76,05	3900	51,28
5	12,51	5,54	69,31	3900	56,27
6	12,58	6,04	75,98	3650	48,02
7	12,51	5,40	67,57	3700	54,76

У четвертому розділі теоретично, чисельно за допомогою МСЕ та експериментально досліджено концентрацію напружень біля отвору в композиті (вуглепластик ЕЛУР 0,08П / 5-211-БТ). Установлено, що несуча здатність розтягнутого зразка складно армованого композиційного матеріалу істотно відрізняється від оцінки за границею міцності пакета для трьох найпоширеніших варіантів критеріїв міцності і залежить від питомого об'єму волокон уздовж осі навантаження (табл. 4).

На основі МСЕ встановлено, що коефіцієнт концентрації напружень істотно залежить від ступеня навантаження отвору КЕ.

Розроблено конструкцію зразка для визначення коефіцієнта концентрації напружень біля отвору, навантаженого регламентованим зусиллям, що імітує КЕ. Експериментально показано, що послідовність укладання шарів по товщині практично не впливає на коефіцієнт концентрації напружень, відхилення якого знаходяться в межах розкиду експериментальних даних.

Таблиця 4 - Міцність типового складно армованого зразка зі структурою [;;] на розрив, МПа

Руйнування шарів 90°	Руйнування шарів ±45°	Руйнування шарів 0°
Критерій максимальних напружень
56	123	775
Критерій максимальних деформацій
49	123	521
Критерій Мізеса - Хілла
55	91	775

Проведена серія випробувань зразків з вуглепластика на розрив (рис. 6). Результати оброблення випробувань, які наведено в табл. 5, апроксимовані залежністю коефіцієнта концентрації напружень стандартного зразка з ненавантаженим порожнім отвором від співвідношення діаметра отвору і товщини зразка:

 . (4)

Рисунок 6 - Зразки після випробувань на розрив

Таблиця 5 - Результати оброблення експериментів

Діаметр отвору, мм	Відносний діаметр отвору	Коефіцієнт концентрації
4	1,079	1,446
5	1,334	1,622
6	1,604	1,644
8	2,238	1,655

Максимуми коефіцієнта концентрації напружень у навантаженого отвору спостерігаються поблизу прикладення навантаження до поверхні навантаження отвору, де має місце зона зминання, в якій руйнування у вигляді розриву або зсуву не спостерігається. Тому з усіх значень коефіцієнта концентрації приймаються максимальні значення за межами цієї зони.

П'ятий розділ роботи присвячено дослідженню податливості КЕ в механічному з'єднанні композитних деталей і реалізації системи експериментального забезпечення їх розрахунку на міцність та проектування.

Податливість механічного з'єднання досліджувалася на моделі рис. 7.



а б

1 - опора; 2 - зразок; 3 - центруючі упори; 4 - КЕ зі сталі 30 ХГСА

Рисунок 7 - Зразок з оснащенням для дослідження податливості:

а - модель для оцінювання податливості; б - схема випробування

Розрахунок податливості силового зв'язку в експерименті проводився за формулою

, (5)

де - зусилля і переміщення рухомої траверси; - модулі пружності матеріалів металевої та композитної деталей; - довжина, товщина і ширина металевої накладки і зразка.

Теоретичне оцінювання проводилося за формулою Douglas

. (6)

Відносна податливість зв'язку

 , (7)

де - крок розстановки КЕ уздовж стику.

Дослідження показали, що при кількості рядів КЕ до 5 відмінність у несучій здатності з'єднань за формулами (5) і (6) не перевищує 15%.

У процесі досліджень установлено області різного ступеня чутливості з'єднання до точності оцінювання параметрів його елементів при проектуванні.

У розділі також наведено відомості про реалізацію розробленої системи експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування механічних з'єднань деталей з ПКМ в документах супроводу сертифікації ПС ТК ДП «Антонов».

ВИСНОВКИ

1. Проведена диференціація (декомпозиція) комплексної проблеми створення вітчизняних цивільних літаків транспортної категорії дозволила виділити основні складові цієї проблеми.

Аналіз принципової блок-схеми одного з важливих секторів декомпозиції прийняття проектних рішень, взаємозв'язуючої складової проблеми вибору ефективних конструкційних матеріалів, орієнтованого на ПКМ, синтезу КСС агрегату і синтезу КТР агрегатів, вузлів і деталей дозволив сформулювати основні вимоги до системи експериментального забезпечення та перевірки проектних рішень для агрегатів ПС ТК з ПКМ і сформулювати мету та основні завдання, що забезпечують формування цієї системи, спрямованої на реалізацію основних нормативних документів процедур сертифікації типу вітчизняних літаків.

2. Уперше розроблено систему експериментального визначення міцності композитних деталей на зминання в механічних з'єднаннях, що включає фіксацію зламу прямої на діаграмі «навантаження - переміщення», а також спеціальний композитний зразок у вигляді диска круглої або восьмикутної форми, який закріплюється в розробленому випробувальному пристрої з самоустановлювальним захоплювачем, який компенсує похибки і автоматично регулює зусилля притиснення захоплювача до зразка.

3. Система дозволяє знизити витрату випробуваного матеріалу в 6,2 раза і тру-домісткість експерименту в 3,8 раза для базового вуглепластика на основі стрічки ЕЛУР 0,08 П і зв'язуючого 5-211-БН. За результатами експериментів синтезовано інженерну залежність для прогнозування міцності на зминання широкого спектра структур ПКМ і діаметрів кріпильних елементів 3, 4, 5, 6 і 8 мм, які широко застосовуваних у конструкціях ДП «Антонов».

4. На основі модифікації застосовуваних методик випробувань міцності композитів на зминання в механічних з'єднаннях, авторських експериментальних досліджень і розробок синтезовано комплекс способів, зразків і пристроїв для визначення міцності на зріз від отвору під кріпильний елемент до краю деталі та на міжшаровий зсув.

5. У запропонованому комплексі використано модифікований зразок, який розроблено для визначення міцності на зминання, що послідовно зрізується по контуру після кожного циклу випробувань з метою визначення шуканого параметра залежно від відстані від кріпильного елемента до краю деталі.

Установлено умови реалізації зрізу від краю деталі та напрямки зрізуючого зусилля відносно схеми армування композита.

6. За результатами експериментальних досліджень виявлено можливі види руйнування і встановлено, що зріз спостерігається тільки для сильно анізотропних структур при навантаженні вздовж більш жорсткого напрямку, а для застосовуваних складно армованих композитів мають місце більш складні форми руйнування. На основі цього сформульовано рекомендації щодо необхідністі постійного супроводу проектування експериментом, що дозволяють реалізувати запропоновані зразок і випробувальний пристрій. Отримано інженерну квадратичну залежність для прогнозування міцності складно армованого базового ПКМ на зріз і показано, що міцності на зріз і на зсув у площині зразка є різними і між ними відсутня будь-яка кореляція.

7. Для зразків, призначених для визначення міжшарової міцності за чинними стандартами, виконано оцінювання нерівномірності розподілу дотичних напружень по поверхні зсуву і показано, що екстремальне значення міцності є малоймовірною величиною.

8. На основі одновимірної моделі клейового з'єднання отримано залежність, що пов'язує похибку в оцінюванні міцності на міжшаровий зсув з пружними характеристиками матеріалу і геометрією робочої частини зразка. Залежність дозволяє контролювати ступінь заниження міцності матеріалу на міжшаровий зсув при плануванні експерименту.

Отримано також формулу для визначення граничного значення відношення розмірів зразка залежно від пружних характеристик матеріалу за умови похибки 5% в оцінюванні міцності на міжшаровий зсув.

9. Теоретично, чисельно на скінченно-елементних моделях та експериментально досліджено концентрацію напружень біля отвору в композиті (вуглепластик ЕЛУР 0.08П / 5-211-БТ). Установлено, що несуча здатність розтягнутого зразка складно армованого композиційного матеріалу істотно відрізняється від оцінки за границею міцності пакета для трьох поширених критеріїв міцності і залежить від питомого об'єму волокон уздовж осі навантаження.

На основі моделювання встановлено, що коефіцієнт концентрації на-напружень істотно залежить від ступеня навантаженості отвору кріпильним елементом. Експериментально показано, що послідовність укладання шарів по товщині практично не впливає на коефіцієнт концентрації напружень. Максимуми коефіцієнта концентрації напружень у навантаженого отвору спостерігаються поблизу прикладення навантаження до поверхні навантаження отвору, де має місце зона зминання, в якій руйнування у вигляді розриву або зсуву не спостерігається. Тому з усіх значень коефіцієнта концентрації приймаються максимальні значення за межами цієї зони в діапазоні ± (80 ... 90) .

10. Модифіковано методику і зразки для експериментального визначення коефіцієнтів податливості кріпильних елементів і композитної деталі в механічному з'єднанні, встановлено області різного ступеня чутливості з'єднання до точності оцінювання параметрів його елемента, що дозволило завершити формування системи експериментального забезпечення розрахунку на міцність і проектування з'єднань дослідженого класу .

Реалізація цієї системи в практиці створення вітчизняних ПС транспортної категорії на ДП «Антонов» стало вагомим чинником у комплексі доказової документації відповідності нових літаків і їхніх модифікацій вимогам норм льотної придатності АП-25 при їх сертифікації, що гарантує конкурентоспроможність ПС на світовому ринку продажів і послуг.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кучер Н..К. Анализ деформирования и расчет жесткости и податливости слоистых тканых композитов [Текст] / Н.К. Кучер, А.З. Двейрин, М.П. Земцов // Вестник Нац. техн. ун-та Украины «Киев. политехн. ин-т». Машиностроение. - Вып. 44. - К., 2003. - С. 47 - 51.

2. Модели деформирования и прочность композиционных материалов сатиновой структуры [Текст] / Н.К. Кучер, М.П. Земцов, А.З. Двейрин и др. // Надежность и долговечность машин и сооружений: Междунар. науч.-техн. сборник. - № 2(23), 2004. - С. 62 - 68.

3. Характеристики упругости слоистых тканых стеклопластиков [Текст] / Н.К. Кучер, А.З. Двейрин, М.П. Земцов и др. // Проблемы прочности: междунар. науч.-техн. журнал. - № 6(372), 2004. - С. 26 - 32.

4. Деформирование слоистых стеклопластиков, армированных тканью сатинового переплетения, при комнатной и низких температурах [Текст] / Н.К. Кучер, А.З. Двейрин, М.Н. Заразовский и др. // Механика композитных материалов. - Т. 40, № 3, 2004. - С. 341 - 354.

5. Исследование долговечности моделей продольных соединений обшивок фюзеляжа [Текст] / А.З. Двейрин, А.П. Ковтун, В.В. Мерзлюк и др. // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 23. - Х., 2004. - С. 201 - 216.

6. Слоистые конструкции из композиционных материалов и их соединения [Текст] /С.А. Воропаев, П.И. Горобец, А.З. Двейрин и др. // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 43. - Х., 2009. - С. 37 - 46.

7. Система экспериментального обеспечения расчета на прочность механических соединений деталей из композитов [Текст] / Е.Т. Василевский, А.З. Двейрин, Я.С. Карпов, С.П. Кривенда // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2010. - Вып. 47. - С. 42-52.

8. Двейрин А.З. Испытание на смятие слоистых пластиков [Текст] / А.З. Двейрин, С.П. Кривенда // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 1(65). - Х., 2011. - С. 20 - 28.

9. Двейрин, А.З. Прочность слоистых пластиков на срез [Текст] / А.З. Двейрин «/ Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 3(67). - Х., 2011. - С. 36 - 40.

10. Создание агрегатов самолетов из композиционных материалов - новые подходы, интегральные решения [Текст] / В.Н. Король, А.З. Двейрин, Е.Т. Василевский // Технологические системы: науч.-техн. журнал. - К. - 4(57), 2011. -
С. 32 - 35.

11. Кива Д.С. Методы ремонта агрегатов планера самолетов из композиционных материалов с трубчатым заполнителем [Текст] / Д.С. Кива, А.З. Двейрин, Е.Т. Василевский // Технологические системы: науч.-техн. журнал. - К. - 2(63), 2013. - С. 57 - 64.

12. Радченко С.Г. Математическое моделирование прочности болтовых соединений композиционных материалов типа углепластиков [Текст] / С.Г. Радченко, С.Н. Лапач, А.З. Двейрин // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 63. - Х., 2014. - С. 61 - 71.

13. Бычков С.А. О дифференциации комплексной проблемы создания отечественных самолетов транспортной категории: составляющая экспериментальной поддержки принятия проектных решений [Текст] / С.А. Бычков, А.З. Двейрин // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 3 (79).- Х., 2014. - С. 7 - 18.

14. Двейрин А.З. Обзор и анализ состояния проблемы расчетно-экспериментального обеспечения проектирования агрегатов самолета из полимерных композитов с механическими соединениями деталей [Текст] / А.З. Двейрин // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. трудов Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 66. - Х.: ХАИ, 2014. - С. 5 - 19.

15. Двейрин А.З. Обоснование и апробация методики определения податливости крепежных элементов в соединениях композитных деталей [Текст] / А.З. Двейрин // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 4(80). - Х., 2014. - С. - С. 7 - 17.

16. Проектирование агрегатов фюзеляжа самолета из композитов [Текст] / А.З. Двейрин, В.А. Костюк, Я.О. Головченко и др. // Технологические системы: науч.-техн. журнал. - К. - 1(2), 2014. - С. 38 - 42.

17. Моделирование панелей хвостовой части фюзеляжа, выполненных из композиционных материалов, при помощи систем CAD/CAM/CAE [Текст] / Д.С. Кива, Ю.В. Попов, А.З. Двейрин и др. // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 27. - Х., 2005. - С. 31 - 41.

18. Конструкции из композиционных материалов в самолете Ан-148 [Текст] / Д.С. Кива, А.З. Двейрин, А.М. Баранников и др. // Композиционные материалы в промышленности: сб. материалов 27-й междунар. науч.-практ. конф. Ялта, АР Крым. 27 мая - 1 июня 2007 г. - К.: УИЦ «Наука. Техника. Технология». - К., 2007. - С. 121.

19. Сотовые конструкции в самолетах АНТК им. О.К. Антонова: опыт применения и перспективы [Текст] / А.З. Двейрин, В.С. Петропольский, А.М. Баранников и др. // Эффективность сотовых конструкций в изделиях авиационно-космической техники: сб. материалов III междунар. науч.-практ. конф. - Днепропетровск, 2009. - С.98 - 104.

20. Проектирование агрегатов фюзеляжа из полимерных композиционных материалов [Текст] / А.З. Двейрин, В.А. Костюк, Я.О. Головченко и др. // ІІІ технічна конференція українського відділення міжнародного товариства з просування матеріалів та технологій (SAMPE) «Активізація науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт - шлях до скорочення термінів створення нової конкурентоспроможної техніки та зменшення сукупних витрат»: тези доповідей. - К., 14 листопада 2013 р. - С. 24 - 25.

Размещено на Allbest.ru