Определение эффективной влажности воздуха при эксплуатации углепластиков

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В процессе эксплуатации авиаконструкции находятся в атмосфере с переменной температурой и влажностью воздуха. Причем эти изменения могут иметь как суточную периодичность, так и сезонную. Важной задачей является определение распределения влаги в конструкции в процессе длительной эксплуатации. В настоящее время при проведении ускоренного влагонасыщения авиаконструкций поддерживается относительная влажность воздуха RH=85%. Решение поставленной задачи позволит скорректировать программу ускоренных климатических испытаний и выявить возможные резервы при применении конструкций с большим поперечным сечением конструктивных элементов. В настоящей работе общая продолжительность эксплуатации авиаконструкций была принята равной 50 годам. В результате, целью данной работы было определение эквивалентной влажности воздуха, при которой при экспозиции в постоянных условиях будет достигнуто равноценное влагосодержание во внутренних слоях материала.

Постановка задачи.

Как показали исследования [1], при натурной экспозиции образцов уровень влагопоглощения образцов под навесом выше уровня влагопоглощения незатененных образцов, подверженных нагреву за счет солнечной радиации. Исследования под руководством NASA [2] показали, что при наземной экспозиции наблюдается большее влагопоглощение по сравнению c влагопоглощением образцов размещенных на эксплуатируемом гражданском самолете. Также в этой работе показано, что наблюдается хорошая корреляция между механическими свойствами образцов после наземной экспозиции и экспозиции на борту самолета. Поэтому, при определении максимального уровня влагонасыщения материала, будем считать, что самолет находится на наземном хранении и на материал воздействуют климатические факторы присущие выбранной климатической зоне, такие как влажность и температура воздуха в тени.

В данной работе для определения эквивалентной влажности воздуха в различных климатических зонах были использованы метеорологические данные, полученные из источника [3]. Использованные метеорологические данные были собраны в 4 различных точках на территории Российской Федерации:

- г. Сочи, влажный субтропический климат;

- г. Москва, умеренно-континентальный климат;

- г. Владивосток, муссонный климат;

- г. Магадан, субарктический морской климат;

Метеорологические данные содержали измерения влажности и температуры воздуха в тени с периодичностью 3 часа в течение 50 лет с 1965 по 2015 гг. При расчетах использовались следующие предположения:

- метеопараметры остаются постоянными между измерениями, т.е. на протяжении каждого 3х часового участка;

- в тонком поверхностном слое мгновенно устанавливается концентрация влаги, соответствующая текущим метеопараметрам;

- температура поверхности материала равна температуре окружающего воздуха;

- внутри листа отсутствует градиент температуры, т.е. при переходе к следующему участку с постоянными метеопараметрами температура устанавливается мгновенно.

Для доказательства справедливости последнего утверждения были проведены дополнительные исследования. Базируясь на рассматриваемых метеоданных, максимальный зафиксированный перепад температуры, при переходе от одного участка с постоянными метеопараметрами к другому, составил 16. Для оценочных расчетов, коэффициент температуропроводности в направлении перпендикулярном плоскости листа был принят равным kz=0.4 мм2/сек [4]. Считалось, что температура выровнялась, когда различия температуры не превышали 1?. Тогда время для выравнивания температуры для листа толщиной 20 мм составляет
5 минут. Следовательно, для листов с толщинами до 20 мм можно считать, что температура устанавливается мгновенно.

Методы решения задачи.

Метеорологические данные были использованы для моделирования диффузионных процессов в течение 50 лет в листах различной толщины из углепластика на основе связующего марки CYCOM 977-2 и наполнителя марки TENAX ® IMS. В процессе моделирования диффузионных процессов считалось, что коэффициент диффузии не зависит от влажности окружающего воздуха, а зависит только от температуры материала. В соответствии с законом Аррениуса температурная зависимость коэффициента диффузии D выражается [5]:

, (1)

где D0 - константа для материала, Ea - энергия активации диффузии, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура. Предельное влагосодержание или влагоемкость отражает установившуюся концентрацию влаги в материале при постоянных внешних условиях, таких как влажность и температура воздуха.

В соответствии с [5] влагоемкость материала имеет степенную зависимость от влажности окружающего воздуха RH, % и не зависит от температуры:

, (2)

где Mmax - предельная влагоемкость при RH=100%, b - экспериментальная константа.

В таблице 1 представлены диффузионные параметры исследуемого материала, которые были получены в результате экспериментальных исследований.

В таблице 2 перечислены механические характеристики монослоя материала CYCOM [6], такие как модули Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона, толщина и плотность монослоя.

Таблица 1. Диффузионные свойства материала CYCOM

Таблица 2. Характеристики жесткости монослоев материала CYCOM

Моделирование диффузионных процессов было выполнено с использованием специально разработанной компьютерной программы расчета влагонасыщения. Численное моделирование проводилось с использованием метода элементарных балансов. Предполагалось, что диффузионные процессы подчиняются второму закону Фика. Также в процессе расчета предполагалось, что обе поверхности листа композиционного материала контактирует с атмосферой, поэтому при проведении расчетов использовалось свойство геометрической симметрии. Предполагалось отсутствие диффузионного потока в плоскости листа, т.е. рассматривалась одномерная диффузия в направлении перпендикулярном плоскости листа. Использовалась расчетная сетка, которая сгущается у поверхности листа для моделирования суточных и сезонных колебаний концентрации влаги в поверхностных слоях материала.

Помимо прямого численного моделирования диффузионных процессов, эффективная температура TГОСТ и эффективная влажность воздуха RHГОСТ была определена в соответствии с ГОСТ 15150-69 [7]:

(3)

где E=Ea/R, Ea - энергия активации диффузии, R - универсальная газовая постоянная, N - количество измерений, Ti (K), RHi (%) - значения температуры и влажности воздуха, полученные при данном наблюдении в естественных условиях, n=2ч8 - экспериментальная константа для материала. В вышеуказанном ГОСТ для диффузии влаги в полиэтилене приводится значение коэффициента n=4.

Результаты расчетов.

В результате численного моделирования были определены суточные и сезонные колебания влаги. На рисунке 1 представлено изменение относительного влагосодержания на протяжении 50 лет экспозиции в климате г. Сочи листов различной толщины. Колебания влагосодержания в тонком листе имеют значительную амплитуду по сравнению с более толстым листом. Поэтому влагосодержание тонких листов достигает больших значений. На рисунке 2 представлено изменение относительного влагосодержания на протяжении 50 лет листов толщиной 10 мм экспонированных в различных климатических зонах. Диффузионные процессы в условиях субтропического климата г. Сочи протекают заметно быстрее за счет высокой среднегодовой температуры.

Рис. 1 - Колебания влагосодержания в листах различной толщины при экспозиции в климате города Сочи

Рис. 2 - Колебания влагосодержания в листах толщиной при экспозиции в различных климатических зонах

В результате численного моделирования были определены суточные и сезонные колебания влаги. На рисунке 3 представлены распределения минимальной (min) и максимальной (max) относительной концентраций влаги на протяжении одного года после завершения влагонасыщения. Результаты характеризуют колебания влаги в листе из углепластика толщиной 8 мм после 50 лет экспозиции в условиях муссонного климата г. Владивосток. Легко видеть, значительным изменениям подвержена концентрация влаги лишь в поверхностном слое толщиной в 1 мм.

Зависимость максимальной относительной массы влаги, достигаемой на протяжении 50 лет экспозиции, от толщины экспонируемого листа представлена на рисунке 4. Результаты расчетов показали, несмотря на низкую среднегодовую температуру, в результате длительной экспозиции тонких листов в условиях муссонного и субарктического морского климатов достигаются бомльшие значения максимальной относительной массы влаги по сравнению с экспозицией в условиях влажного субтропического климата г. Сочи. По этой причине, толщина элементов конструкции играет важную роль при определении равновесного значения влаги в процессе эксплуатации.

влажность температурный диффузия кессон

Рис. 3 - Колебания влаги в листе из углепластика на протяжении года, c/c0 - относительная концентрация влаги, z - ось перпендикулярная плоскости листа

Рис. 4 - Максимальная относительная масса влаги m/m0 в листе в зависимости от его толщины l, мм

Приведенные результаты расчетов относятся к случаю экспозиции конструкции в заданной климатической зоне. В процессе практической эксплуатации, зачастую авиаконструкции подвергаются поочередной экспозиции в различных климатических зонах. Как показали расчеты, поочередная экспозиция в летнее время в условиях г. Владивосток, а в зимнее время в условиях г. Сочи, приводит к незначительному повышению максимальной относительной концентрация влаги для листа толщиной 10 мм. Других фактов повышения максимальной относительной концентрация влаги за счет синергического эффекта выявлено не было.

В данной работе не затрагивается вопросы, связанные с изменением климата. Анализ метеоданных показал незначительное изменение среднегодовой температуры и влажности воздуха на протяжении 50 лет наблюдений. Поэтому метеоданные были использованы для прогнозирования климатического влияния в будущем.

Расчет эффективной влажности воздуха для кессона крыла.

Рассмотрим типовой кессон крыла современного пассажирского самолета, также изготовленный из углепластика на основе связующего марки CYCOM 977-2 и наполнителя марки TENAX ® IMS. В кессоне, как и в любой конструкции, имеются наиболее нагруженные зоны. Исследования влияния климатических факторов в таких зонах имеет первостепенное значение. Эффективная влажность воздуха значительно зависит от толщин конструктивных элементов, поэтому, выделим наиболее нагруженные зоны кессона крыла с толщинами 5, 6.5, 8 мм, а также зону стыка стрингера и обшивки с наибольшей толщиной 12 мм. Дальнейшей задачей будем считать определение эффективной влажности воздуха для перечисленных элементов конструкции. Будем считать, что все рассматриваемые элементы конструкции подвержены влиянию климатических факторов, как на внешней, так и на внутренней поверхности, а также температура конструкции в каждый момент времени совпадает с температурой окружающего воздуха.

Таблица 3. Эффективные значения влажности воздуха

Рис. 5 - Распределение максимальной относительной концентрации влаги в листах углепластика с различными толщинами (5ч12 мм)

Как показали расчеты, максимальная концентрация влаги в листе толщиной 5 мм достигается в г. Магадан, в листах с толщинами 6.5 и 8 мм в г. Владивосток, а в листе 12 мм в г. Сочи. В таблице 3 представлены полученные эффективные значения влажности воздуха RHэ, % для листов различной толщины. Также в данной таблице приведены средние значения влажности воздуха RHср, % для указанных регионов. Значения RHГОСТ, % были получены с использованием выражений (3), при расчетах использовались коэффициенты n=4, n=3.6. Анализ показал, средняя влажность воздуха за весь период наблюдений значительно отличается от эффективных значений, полученных путем численного моделирования. Расчеты с использованием выражений (3) также продемонстрировали значительное расхождение с результатами численного моделирования во всем диапазоне значений коэффициента n. На рисунке 5 представлены распределения максимальных относительных концентраций влаги при экспозиции в соответствующих климатических зонах.

Учет деформации конструкции в процессе влагонасыщения.

При влагонасыщении в лабораторных условиях конструкция экспонируется в ненагруженном состоянии, поэтому также необходимо учитывать влияние деформаций конструкции на диффузионные процессы при эксплуатации. Наибольшее влияние климатических факторов наблюдается во время наземной стоянки. Нагрузки в кессоне крыла во время стоянки зависят от конструктивно-силовой схемы крыла, расположения опор шасси, расположения двигателей и других факторов. Определение критических зон в конструкции, как и нагрузок во время стоянки, является сложной задачей и выходит за рамки данной работы. Для определенности будем считать, что максимальные напряжения в растянутых зонах составляют 10 кгс?мм2. В отличие от растягивающей нагрузки, нагрузка на сжатие приводит к снижению величины влагоемкости, поэтому такая нагрузка рассматриваться не будет.

Расчет влияния нагрузки на диффузионные свойства был проведен для пакета с укладкой {-45/0/45/0/0/90/0/0/45/0/-45}3. В процессе расчетов параметров жесткости пакета были использованы параметры монослоя, представленные в таблице 2. При проведении расчетов использовались соотношения, подробно описанные в литературе [8 - 10], связывающие диффузионные параметры с механическими деформациями. Как показали расчеты, растягивающие напряжения 10 кгс?мм2 вызывают повышение коэффициента диффузии на 1.9 %, а также повышение влагоемкости на 1.1 %. Поэтому при определении эффективной влажности необходим учет нагрузок.

В настоящей работе численным расчетом было подтверждено, при эксплуатации значительным изменениям подвержена концентрация влаги лишь в поверхностном слое.

По результатам моделирования было установлено, эффективная влажность воздуха зависит не только от диффузионных характеристик материала, но и от толщин конструктивных элементов. Климатическая зона, в которой наблюдается наибольшее влагопоглощение за 50 лет, зависит от толщины конструктивных элементов. Так, несмотря на низкую среднегодовую температуру, в субарктическом климате может наблюдаться более высокое влагосодержание в тонких листах (толщиной 5 мм), по сравнению с субтропическим климатом.

Как показали исследования, при определении эффективной влажности воздуха при эксплуатации углепластиков использование средней влажности воздуха, а также ГОСТ 15150-69 приводит к ошибочным результатам, а также не целесообразен учет градиентов температуры при численном моделировании диффузионных процессов.

В результате анализа влияния эксплуатационных нагрузок на диффузионные процессы было установлено, при определении эффективной влажности необходим их учет.

В настоящей работе описан лишь общий подход к определению эффективной влажности воздуха для кессона крыла. Для практического применения методики необходимо:

- детальное изучение климата предполагаемых зон эксплуатации;

- определение диффузионных характеристик материалов;

- определение длительных нагрузок при эксплуатации.

Литература

1. Vodicka R. Environmental exposure of boron-epoxy composite material // Aeronautical and Maritime Research Lab. Melbourn, Australia: Report DSTO-TN-0309, 2000.

2. Dexter H.B., Baker D.J. Flight service environmental effects on composite materials and structures // Advanced Performance Materials. 1994. Vol. 1. No. 1. P. 51-85.

3. Веселов В.М., Прибыльская И.Р. Специализированные массивы для климатических исследований // ВНИИГМИ-МЦД.

4. Salazar A., Sanchez-Lavega A. Measurements of the thermal diffusivity tensor of polymer-carbon fiber composites by photothermal methods // International Journal of Thermophysics. 1998. Vol. 19. No. 2. P. 625-636.

5. Vodicka R. Accelerated environmental testing of composite materials // Aeronautical and Maritime Research Lab. Melbourn, Australia: Report DSTO-TR-0657. 1997. 60.

6. Гришин В.И., Дзюба А.С., Дударьков Ю.И. Прочность и устойчивость элементов и соединений авиационных конструкций из композитов.

7. ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. - М.: Стандартинформ, 2006.

8. Youssef G., Frйour S., Jacquemin F. Stress-dependent moisture diffusion in composite materials // Journal of COMPOSITE MATERIALS. 2009. Vol. 43. No. 15.

9. Neumann S., Marom G. Free-volume dependent moisture diffusion under stress in composite materials // Journal of MATERIALS SCIENCE. 1986. Vol. 21. P. 26-30.

10. Neumann S., Marom G. Prediction of moisture diffusion parameters in composite materials under stress // Journal of COMPOSITE MATERIALS. 1987. Vol. 21. P. 13.

Размещено на Allbest.ru