МЕТОДЫ РАСЧЕТА РЕСУРСА

Для авиационной техники долговечность определяется из усло­вий безопасности полета и целесообразности ее дальнейшего при­менения, исходя из сравнительной эффективности И ВОЗМОЖНОСТИ замены более совершенными образцами. Возможные пути назначе­ния норм показателей долговечности показаны на рис. 2.9.

Рис 2 9 Возможные пути назначения норм долговечности

После того как установлены нормы показателей долговечности или предельное состояние эксплуатируемых объектов, необходимо обосновать для них выбор ресурсов и сроков службы.

Методы подхода к оценке ресурсов конструкций летательных аппаратов могут быть разделены иа три группы: эмпирические, расчетные и экспериментальные.

Эмпирические методы. В основу этих методов положено обобще­ние опыта эксплуатации летательных аппаратов в реальных усло­виях. Ресурс для повой авиационной техники назначают минималь­ный исходя из опыта эксплуатации аналогичных конструкций в прошлом. В дальнейшем ресурс уточняют. Для разработки реко — мендацпй по обоснованию и увеличению ресурсов летательных ап­паратов используют лидирование, при котором проводится опытная эксплуатация специально подготовленных лидеров. Это обеспечи­вает получение опережающей информации об относительно слабых элементах конструкции, ресурсах изделий за счет опережающего налета.

Полеты лидеров являются натурными испытаниями конструкции в естественных эксплуатационных условиях.

Особенность их заключается в том, что эти испытания протека­ют параллельно с нормальной эксплуатацией основного парка ле­тательных аппаратов.

При использовании лидеров образуется резерв времени для тщательной разработки мероприятий по предотвращению появле­ния и развития дефектов иа объектах основного парка Число ли­деров по сравнению с численностью основною парка мало. Поэто­му определение объема выборки (числа лидерных летательных аппаратов) производится из условия упреждающего отказа, т. е.

отказ на летательном аппарате головной группы должен произойти до появления аналогичного отказа на летательном аппарате основ кого парка.

Опережающее накопление усталостным повреждении на лиде рах можно пол)чить также за счет программы форсированной их эксплуатация. Эффективность лидирования будет достиг») та в том случае, когда накопление усталостных разрушений на ли юре произойдет в 3—5 раз быстрее, чем на объектах парка Поэтому прн составлении программы испытаний сокращают или полностью исключают этапы, не вносящие существенной дати у сталостных разрушений конструкции (например, этап горизонтального полета на высоте эшелона), форсируют режимы на отдельных этапах по лета (руление на повышенной скорости, специальные полеты п ус­ловиях турбулентной атмосферы и т. д.).

Использование лидирования как средства индикации усталост­ных повреждений позволяет решать задачи о выборе момента вре­мени ремонта основного парка.

При наличии одного лидера время ремонта tq вычисляется по следующей формуле:

Ш^Х’УЪ’+Ш» (2.16)

где г, — корень уравнения

Л’Ф(2в)=ф; (2.17)

где 1л —наработка самолета лидера до появления разрушения эле­мента, N—-количество самолетов основного парка; q — допус­тимый уровень вероятности разрушения элемента хотя бы на одном самолете парка; Ф(г) — функция стандартного нормаль­ного распределения; а,— среднее квадратическое отклонение усталостной долговечности (принимается равным 0,15).

Пример 9 Основной парк насчитывает /У=100 самолетов, налет лиде­ра йл=10000 ч, 9—0,1, о,=0.15 Требуется определить время, через которое необходимо проводить доработку (усиление) парка самолетов Решая уравне­ние (217) и используя таблицу (приложение 1), шайдем г, = —3,1. Подставив результат г, в уравнение (216), получим In /,=3,39 или /,=2450 ч

К недостаткам эмпирического метода следует отнести: невоз­можность определения действительной долговечности вследствие возможных катастрофических разрушений, что ведет к занижению ресурса и нерентабельной эксплуатации; отсутствие гарантии в том, что установленный ресурс не превышает долговечность конструк­ции, а также невозможность предсказания и своевременного выяв­ления повреждений, возникших в период между осмотрами авиа — 1 ционной техники.

ч» Расчетные методы. В этих методах исходят из предположения, что долговечность ограничивается усталостными свойствами кон­струкции. Наибольшее распространение получил метод, основанный иа гипотезе линейного суммирования усталостных повреждений Согласно этой гипотезе, усталостное разрушение является линей-

ион функцией числа циклов нагружения. Условие разрушения имеет вид

-=1,

где лЦ(—число циклі в нагружения напряжениями данного уровня, Л,,—общее количество циклов нагружения до разрушения, k — количество блоков нагрузок.

Величина —— представляет собой относительное повреждение

конструкции, вносимое даииым уровнем переменного напряжения Проведенные исследовании показали, что гипотеза линейного суммирования усталостных разрушений в ряде случаев дает за­вышенный срок службы, но бывают и заниженные значення Наи­большую опасность представляет завышение срока службы. Это является следствием того, что данная гипотеза не учитывает влия­ния па долговечность ряда факторов, например действие напря­жений ниже предела выносливости, последовательности чередова­ния нагрузок и т д Для учета этих факторов формулу (2 18) сле­дует применять в следующем виде:

= .71,

где т— параметр, значение которого определяется опытным путем.

Необходимо отметить, что введение в правой части формулы (2.19) значения т, отличного от единицы, нарушает основную идею, положенную в основу этого метода, т. е. сумма относительных по­вреждений дает полное повреждение. Эксперименты показали, что значення т имеют значительный разброс. Указанные обстоятель­ства в значительной мере затрудняют применение линейной теории суммирования.

Для определения сроков службы может использоваться также метод, получивший название метода касания.

При применении метода касания срок службы конструкции оп­ределяется путем сопоставления графика выносливости рассмат­риваемой конструкции и графика интегральной повторяемости экс­плуатационных нагрузок (рис. 2.10).

Графики интегральной повторяемости получаются эксперимен­тальным путем в процессе специальных летных испытаний, которые проводятся по специальной программе иа летательных аппаратах, оборудованных контрольно-записывающей аппаратурой. Метод пре­дусматривает, что при этом имеются в наличии графики выносли­вости рассматриваемой конструкции, полученные в лабораторных условиях На специальных стендах.

Определение ресурса (срока службы) производят следующим образом. Кривую интегральной повторяемости нагрузок смещают

вправо до касания с кривой вы — НОСЛІШОСТП. Абсцисса точки ка­сания А указывает число циктов N2.

Щ

~гг — пч аст

N

число периодов, принятых при определении интегральной пов­торяемости нагрузок до разру­шения конструкции Ординаты у точек Л’ и Л один и те же Ресурс Грос в этом случае определяют как произведение времени in, измеряющего дли­тельность одного периода на число периодов:

Т і ^- j

! рес п д. 1„П„.

Однако до сего времени ме­тод касания не имеет достаточ­но обоснованных теоретиче­ских предпосылок, к тому же он дает более высокие ресур­сы, чем метод суммирования усталостных повреждений — Это обстоятельство ограничивает его применение на практике.

Экспериментальные методы. Эти методы базируются на мате­риалах стендовых испытаний элементов конструкции или летатель­ного аппарата в целом. Испытания проводят при повторных нагруз­ках, причем условно выбирают уровень нагрузки Так, в СССР та­ким уровнем принята нагрузка в 0,5 величины от разрушающей Ярасч,’ фирма «Норд Америкен» принимает за основу 0,67 Яржч, английские фирмы 0,3—0,35 Rmn и т. д.

Если конструкция при выбранном уровне нагрузки выдерживает определенное, наперед заданное число циклов, то оиа считается удовлетворительной.

Так, фирма «Норд Америкен» при 0,67 /?расч устанавливает кри­терий в 3000 циклов, полагая, что это соответствует 2000 ч налета истребителя.

Основным недостатком этого метода является несоответствие нагрузок, при которых ведется испытание реальным нагрузкам, действующих в полете. Он не дает количественной оценки ресурса, поэтому может быть использован только для сравнения различных конструкций.

Используя гипотезу линейного суммирования повреждений иа основе испытаний планера летательного аппарата на повторные нагрузки вплоть до разрушения новых летательных аппаратов и

имеющих различный налет, можно определить долговечность кон струкшш (рис. 2.11) Полученные точки наносят в координатах f,

Nn н соединяют прямой или кривой, которую экстраполируют вплоть до пересечения с осью абсцисс

Точка пересечения К представляет собой предполагаемое время наработки до момента разрушения планера, т е. ресурс летатель ного аппарата Трог Основным недостатком такого определения дол­говечности является допущение, что снижение долговечности под­чиняется линейному закону

В целях устранения указанных выше недостатков был предло жен метод нагружения переменными нагрузками различного уров ия. Нагрузка принимается ступенчатой, уровень ступеней выбира­ется на основе кривой интегральной повторяемости нагрузок, полученной в полете, а частота нагружения выбирается из условия летных испытаний (3—10 цикл/мин) Поскольку каждый блок на­гружения эквивалентен определенному времени tin ресурс опреде­ляется из выражения

где ;V„ — число блоков нагружения.

Достоинством метода является то, ито нагрузки здесь прибли­жаются к реальным; недостатком — отсутствие достаточно обосно­ванных критериев эквивалентности нагрузок, а также недоста­точный учет эксплуатационных факторов (например, коррозии). Неучет этих обстоятельств компенсируется выбором коэффи­циента безопасности, величина которого еще достаточно не обосно­вана.

В рассмотренных методах критерием оценки работоспособности конструкции при испытаниях является количество циклов нагруже­ния до разрушения. Одиако такая оценка не очень удобна. В на­стоящее время делаются попытки найти метод перехода от резуль­татов испытаний на выносливость, выраженных в циклах, к оценке ресурса в часах.

При испытаниях с одноступенчатым нагружением пересчет ко­личества циклов до разрушения на ресурс производят по формуле

Тт=к, Ы (2.20)

где к-,— коэффициент, значение которого принимается для манев­ренных летательных аппаратов при испытании нагрузкой 0,7 /?расч равным 0,7—0,8; при испытаниях 0,5 Rpacч /еэ=0,20— 0.25; Nn — число циклов до разрушения.

Для немаиевреиных летательных аппаратов ресурс можно оп­ределить по приближенной формуле

7’реС = 1.9-^. (2.21)

где Na—число циклов до разрушения при переменной нагрузке, соответствующей порыву 3,05 м/с; V — скорость, км/ч.

При испытаниях с комбинированным нагружением (в один

цикл входят нагрузки, действующие на летательный аппарат с мо­мента взлета до остановки) ресурс определяется по формуле

7’р«=:-ф-Лці‘,м, (2.22)

где ф — коэффициент, учитывающий разброс видов и уровней на­грузки за цикл; /цоа — продолжительность типового полета.

Комплексный метод оценки долговечности. Этот метод включает пять основных этапов:

1) анализ фактических условий эксплуатации летательных ап­паратов и разработка схемы типового полета

2) выявление элементов конструкции, определяющих долговеч­ность эксплуатации Летательного аппарата;

3) исследование эксплуатационных нагрузок;

4) исследование долговечности конструкции на основе програм­мных испытаний;

5) оценка ресурса конструктивных элементов и конструкции ле­тательного аппарата в целом.

Рассмотрим подробнее эти этапы. Очевидно, что величина на­грузок и их повторяемость для различных типов летательных ап­паратов будет различная. Действительно, рейсовые реактивные са­молеты, летающие на союзных и международных линиях, как пра­вило, находятся в воздухе от 2 до 10 ч, совершая при этом один взлет и одну посадку; самолеты, находящиеся, например, в летном училище, могут непрерывно совершать полеты типа взлет — посад­ка Самолеты сельскохозяйственной авиации летают на низких вы­сотах прн повышенной турбулентности атмосферы — и также совер­шают большое число кратковременных полетов. Это создает со­вершенно особые условия эксплуатации.

К тому же нагрузки при разбеге, взлете, полете и посадке также различные, и это необходимо учитывать при определении сроков службы летательного аппарата. Для оценки нагрузок и их повто­ряемости принято использовать типовой полет.

Под типовым полетом понимается совокупность всех эта­пов полета от запуска двигателей до их остановки после полета, каждый из которых с принятой вероятностью отражает такие важ­нейшие параметры, как продолжительность, высота и скорость, масса и центровка, а также л другие параметры, определяющие сшшпагруженность конструкции, а следовательно, и степень по­вреждаемости, вносимую в конструкцию на каждом этапе полета.

Параметры типового полета определяются путем обработки ин­формации о полетах летательных аппаратов данного типа. Все нагрузки и их повторяемость относятся ко времени типового поле­та, который является как бы эталоном. Это дает возможность из­бежать неопределенности в оценке их величины, выявить режимы, которые вносят наибольшую повреждаемость в те или иные эле­менты конструкции. На основе полученных данных строятся законы

н

распределения нагрузок и определяются их параметры, значения которых используются в расчетах элементов конструкции на дол­говечность.

Вторым этапом расчета является выявление элементов конст­рукции, определяющих долговечность эксплуатации Общеизвестно, что не все элементы конструкции летательного аппарата являются равнопрочными. Следовательно, для оценки срока службы необхо­димо выявить все наиболее слабые элементы и уделить им особое внимание.

Следующий этап—это исследование эксплуатационных нагру­зок, действующих в полете на элементы конструкции. Здесь боль­шую роль играют специальные летные испытания с записью в ноле те нагрузок на ленту самописца. Обработка этой информации даст возможность получить интегральные повторяемости и построить спектр эксплуатационных нагрузок. Имея спектр эксплуатационных нагрузок, можно приступить к проведению программных испытаний элементов конструкции летательного аппарата на долговечность.

Цель программных испытаний — установить непосредственным экспериментом долговечность интересующего нас элемента конст­рукции или летательного аппарата в целом. Естественно, такие ис­пытания требуют много времени, но без них обойтись невозможно. Программные испытания позволяют также выявить наиболее сла­бые места конструкции, долговечность которых лимитирует срок службы, сделать рекомендации по усилению конструкции в оценить ее живучесть.

Последним этапом является оценка ресурса конструкции или летательного аппарата в целом. При этом в ряде случаев вводят коэффициенты запаса по долговечности для отдельных элементов которые учитывают влияние различных неучтенных факторов и степень достоверности исходных данных.