Оцінка зміни фізико-механічних характеристик конструкційних вуглепластиків в процесі експлуатації неруйнівними методами контролю

Размещено на http://www.allbest.ru

Національний авіаційний університет, Україна

Вступ

В сучасній науковій термінології до композиційних матеріалів (КМ) прийнято відносити порівняно невелику групу матеріалів - полімери, метали, кераміку і вуглець армовані волокнами, а також наповнені полімери та дисперсійно зміцнені сплави.

Найбільшого обсягу застосування полімерних композиційних матеріалів досягнуто в конструкції вітчизняних літаків АН 148, АН-158, АН-178 із застосуванням високомодульних і високоміцних матеріалів на основі епоксидної та поліамідної матриць, армованих волокнами вуглецю.

За оцінками спеціалістів вартість виробництва деяких основних вузлів конструкцій із вуглепластиків може бути нижче вартості аналогічних металічних, а економія маси цивільних літаків досягне близько 10%. В процесі експлуатації елементи конструкцій із вуглепластиків зазнають впливу циклічних навантажень, механічних ударних дій, температури, вологи, сонячної радіації, що в комплексі спричиняє зміну їх характеристик [1-3].

Метою роботи є дослідження взаємозв'язків між показниками фізико- механічних характеристик авіаційних конструкційних вуглепластиків типу

КМУ-3Л та оцінка їх впливу на несучу спроможність елементів конструкцій в процесі експлуатації методами неруйнівного контролю.

1. Методика та результати досліджень

До основних особливостей конструкційних вуглепластиків в порівнянні із традиційними металічними матеріалами необхідно віднести: підвищені розсіювання властивостей, анізотропію, крихке руйнування та наявність великої кількості їх форм, підвищена чутливість до ударних пошкоджень, вплив кліматичних факторів, зміна властивостей матеріалу в процесі експлуатації в зв'язку із старінням полімерного зв'язуючого .

Ці та інші особливості поставили ряд проблем, що пов'язані із сертифікацією, розробкою критеріїв міцності і надійності і особливо із обґрунтуванням ресурсу конструкцій з композитів. Опір втомному руйнуванню для вуглепластиків в традиційному для металів сенсі є дуже високим. Криві втоми мають незначний нахил (показник рівняння утомної кривої змінюється в межах m = 20...40). Так, наприклад зміна навантаження при циклічних випробуваннях вуглепластиків на 5.7% визиває зміну їх довговічності на 1.2 порядки. Із-за незначного нахилу кривої втоми значно зростає розсіювання довговічності, що відповідно приводить до значного збільшення коефіцієнту надійності.

Крім цього аналіз існуючих гіпотез підсумування пошкоджень показав, що вони не придатні для узагальнення пошкоджень у полімерних композитах [1-3].

Експериментальні дослідження проводились на стандартних зразках із врахуванням вимог стандартів ГОСТ 27.002-83 «Надёжность в технике. Термины и определения», ГОСТ 25.601-80, ГОСТ25602-80, ГОСТ-25.604-80 «Методы испытания на растяжение, сжатие, изгиб при нормальной и повышенной температурах».

Експлуатаційні пошкодження композитів можуть бути внесені у процесі технічного обслуговування і льотної експлуатації авіатехніки. Під пошкодженням необхідно розуміти деяку зону матеріалу, в якій відбулося порушення суцільності (мікротріщини у матриці, руйнування волокон тощо), що спричинило зміну механічних властивостей.

Експлуатаційні пошкодження зв'язані також із дією оточуючого середовища. Пошкодження можуть зазнавати як волокна так і матриця, а також зовнішні і внутрішні шари. Пошкодження зовнішніх шарів матеріалу можливо виявити візуально, а внутрішніх тільки методами неруйнівного контролю.

Найбільш розповсюдженими типовими пошкодженнями, які виникають у процесі експлуатації конструкцій із КМ є пробоїни, тріщини, розшарування та вм'ятини.

Досвід експлуатації конструкцій із КМ виробів вітчизняних літаків (носки і за закінцівки крила, обшивка пілонів, конструкції повітрязабірників, створки шасі, кермо напряму, інтерцептори і перегородки фюзеляжа показав, що із всіх пошкоджень найбільш розповсюдженими є: пробоїни - 26,5%, тріщини - 29,6%, вм'ятини - 17%, розшарування - 12,4%. Біля 65% всіх дефектів обумовлені ударними пошкодженнями, а близько 80% пошкоджень виникають у процесі технічного обслуговування.

Результати руйнівних випробувань стандартних зразків із композитів на розтягання, стискання, зсув та застосування неруйнівних методів контролю дозволило запропонувати методику визначення їх несучої спроможності. Методика охоплює питання контролю елементів вуглепластикових конструкцій за допомогою вихреструмових дефектоскопів із накладними перетворювачами, ультразвукових дефектоскопів при використанні ехо-методу, імпеданстних акустичних дефектоскопів, а також приладів теплового та ємнісного контролю.

Метод вихрових струмів ефективний при виявленні деформацій розтріскування, ударних пошкоджень в обшивці із вуглепластика. Ультразвуковий метод контролю дозволяє виявити поверхневі та внутрішні дефекти типу розшарування, непроклеї, пори в конструкціях із КМ. Вологонасиченість найбільш доцільно оцінювати методами теплового та діелектричного контролю.

Виявлення дефектів залежить від фізичних характеристик контролюємого матеріалу (електропровідність, діелектрична проникність, затухання ультразвуку), наявності концентраторів та металічних елементів в конструкціях із КМ. На основі результатів досліджень розроблена методика із врахуванням вимог відповідно із ГОСТ 18353-78 «Контроль неруйнівний. Класифікація методів.» та доповнена змінами з врахуванням стандарту ДСТУ EN ISO 9712 і призначена для використання спеціалістами з неруйнівних методів контролю авіаційних підприємств та авіаремонтних заводів. Рекомендації із застосування основних методів неруйнівного контролю серійними приладами та визначення критеріїв пошкоджень наведено в таблиці.

Рекомендації із вибору методів оцінки пошкоджуваності КМ та особливості застосування неруйнівних методів контролю

Висновки

В результаті досліджень запропоновано методику комплексної оцінки несучої спроможності конструкційних авіаційних вуглепластиків типу КМУ-3Л із застосуванням неруйнівних методів контролю.

Зміна фізико-механічних характеристик елементів конструкцій із вуглепластиків в процесі експлуатації дає можливість встановлення кореляційної залежності із зміною несучої спроможності матеріалу.

Результати руйнівних методів досліджень в комплексі із неруйнівними методами контролю конструкцій із КМ можуть бути використані для оцінки залишкової міцності та наукового супроводу процесу експлуатації полімерних композитів.

Список літератури

1. Борозенець Г.М., Павлов В.М., Семак І. В. Застосування композиційних матеріалів в авіаційних конструкціях та проблеми оцінки їх стану // Науково-популярний журнал «Колега» НАН України, № 1. 2012 - С. 38-39.

2. Борозенець Г.М., Семак І.В. Оцінка впливу вологи і агресивних середовищ на фізико-механічні характеристики конструкційних вуглепластиків. Науково-технічний журнал «Проблеми тертя та зношування» № 3 (68). 2015 С. 85 - 89.

3. Матис И.Г. Електрические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающих исследований композитов // Методы с средства диагностики несущей способности изделий из композитов. - Рига: Зинатне, 1985. - С. 74 - 84.

References

1. Borozenets H.M., Pavlov V.M., Semak I. V. Zastosuvannia kompozytsiinykh materi- aliv v aviatsiinykh konstruktsiiakh ta problemy otsinky yikh stanu // Naukovo-populiarnyi zhurnal «Koleha» NAN Ukrainy, № 1. 2012 - S. 38-39.

2. Borozenets H.M., Semak I.V. Otsinka vplyvu volohy i ahresyvnykh seredovyshch na fizyko-mekhanichni kharakterystyky konstruktsiinykh vuhleplastykiv. Naukovo-tekhnichnyi zhurnal «Problemy tertia ta znoshuvannia» № 3 (68). 2015 S. 85 - 89.

3. Matis I.G. Elektricheskie, radiovolnovye i teplovye metody i sredstva ne- razrushajushhih issledovanij kompozitov // Metody s sredstva diagnostiki ne-sushhej sposob- nosti izdelij iz kompozitov. - Riga: Zinatne, 1985. - S. 74 - 84.

Размещено на Allbest.ru