Формирование программы сохранения целостности конструкции планера воздушного судна по условиям прочности

2008 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 127

серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов

УДК.629.73.017

ФОРМИРОВАНИЕ ПРОГРАММЫ СОХРАНЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ПЛАНЕРА ВОЗДУШНОГО СУДНА ПО УСЛОВИЯМ ПРОЧНОСТИ

Н.П. СМИРНОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Ицковичем А.А.

В статье рассматривается проблема научно-методического обеспечения формирования программ сохранения целостности конструкции планера воздушных судов на стадии эксплуатации с учетом рекомендаций ИКАО.

Введение

Проблема сохранения летной годности воздушных судов (ВС) при длительной эксплуатации находится в последние годы в центре внимания международных авиационных организаций и государственных органов.

Важнейшим фактором, оказывающим заметное влияние на летную годность ВС, является целостность конструкции планера. Целостность конструкции планера ВС означает его способность противостоять усталостным и коррозионным повреждениям. Она обеспечивается на стадии создания ВС и затем сохраняется на стадии эксплуатации.

В соответствии с рекомендациями ИКАО (Приложение 8 к Конвенции о международной авиации) разработчик ВС должен создавать программу сохранения целостности конструкции для обеспечения летной годности. В отечественной практике в явном виде такого документа нет. Эти вопросы решаются в соответствии с АП 25.571 и Методами определения соответствия (МОС) нормативным требованиям АП 25.571, в которых содержится требования по обеспечению безопасности полетов по условиям прочности при длительной эксплуатации на основе принципов допустимости повреждения, безопасного повреждения (отказа) и безопасного ресурса. Однако, учитывая рекомендации ИКАО [1,2], возникает необходимость в разработке научно-методического обеспечения формирования программ сохранения целостности конструкции ВС. Программа должна определять частоту осмотров и проверок, условия их проведения и средства контроля (в том числе инструментального). Частота (периодичность) осмотров силовых элементов конструкции должна определяться на основе оценки времени роста повреждения (трещины) от минимального, но надежно обнаруживаемого размера, до предельного.

Проводимый мониторинг (постоянная оценка) целостности конструкции планера позволяет своевременно выявлять существенные повреждения, такие как: множество мелких близко расположенных трещин; повреждения, возникшие в результате перераспределения нагрузок; повреждения элементов с множественными путями передачи нагрузок; повреждения вследствие коррозии и износа.

Классификация элементов конструкции планера ВС

Первоочередной задачей является определение составных частей конструкции и элементов, воспринимающих основную часть нагрузок в полете и на земле, нагрузок от избыточного давления или управляющих воздействий, и отказы которых могут повлиять на целостность конструкции и, следовательно, характеристики живучести или безопасного ресурса, которые необходимо определить или подтвердить.

При анализе безопасности эксплуатации конструкции планера по условиям прочности используют классификацию, приведенную на рис.1 [3].

Планер

Рис. 1. Классификация элементов конструкции планера ВС

Важнейшей задачей является отбор составных частей и элементов конструкции ВС, относящихся к критическим местам конструкции.

Критические места конструкции - детали, элементы, зоны, долговечность и эксплуатационная живучесть которых определяют уровень безопасности по условиям прочности конструкции в целом.

Перечень критических мест конструкции ВС разрабатывается (прогнозируется) на этапе проектирования и уточняется по результатам испытаний и опыта эксплуатации. При отборе составных частей и элементов конструкции для включения их в перечень критических мест используются следующие основные критерии: условия нагружения; последствия трещинообразо-вания; возможность проведения осмотра; возможность повреждений в нескольких местах; конструкционная избыточность; возможность возникновения коррозии.

Осмотры и проверки на этапах выносливости и живучести конструкции планера

В упрощённом виде схему сохранения целостности конструкции элементов планера по условиям прочности при длительной эксплуатации ВС можно представить в следующем виде (рис. 2).

Наработка N0 характеризует выносливость элемента. Наработка N - N характеризует его живучесть. При этом под выносливостью понимается свойство конструкции (элемента, материала) сопротивляться возникновению и развитию усталостных повреждений.

Рис. 2. Схема сохранения целостности конструкции элемента конструкции по условиям прочности: Я - прочность; I - длина трещины; N - число полетов; 1пред, 1кр, 1обн - длина трещины: обнаруживаемой, предельной и критической, соответственно; Т1, т2, т3, т4 - периодичность осмотров элемента; ^, N0, Nп, N - число полетов: до появления трещины, до ее обнаружения, до предельного значения, до критического значения, соответственно

При предельном состоянии конструкции размер ее повреждения 1пред и, соответственно, остаточная прочность Яш;п.э должны обеспечивать восприятие максимальной эксплуатационной нагрузки.

Таким образом, для авиаконструкции можно выделить (рис. 2) [4]:

- допустимую наработку по условиям выносливости (период выносливости) - это наработка, в пределах которой необходимый уровень безопасности может быть обеспечен без дополнительных осмотров конструкции;

- допустимую наработку по условиям живучести (период живучести) - это наработка, в пределах которой обеспечение необходимого уровня безопасности требует дополнительных осмотров конструкции, направленных на предотвращение достижения этой конструкцией предельного состояния (допустимого повреждения).

Для обеспечения безопасной эксплуатации в течение периода живучести необходимо провести не одну проверку. Количество проверок зависит от величины интервала между осмотрами тосм, которую в свою очередь рекомендуется определять по следующему выражению:

^ _ Допустимая наработка за период живучести

осм Нормативный коэффициент надежности

Период живучести авиаконструкции определяется моментом достижения так называемого предельного состояния, которое характеризуется: регламентированным повреждением, нормированной остаточной прочностью, требуемой длительностью роста усталостной трещины.

Допустимая наработка за период живучести в значительной мере зависит от обнаруживаемой длины трещины 1обн, которая обычно не должна быть пропущена при проведении осмотров

и проверок с использованием надежных и оправданных средств и методов контроля, и от скорости развития трещины.

В свою очередь 1обн зависит от целого ряда факторов, к числу которых можно отнести следующие: метод и уровень осмотра; доступность к элементу конструкции для осмотра и его освещенность; размеры зон вероятного появления трещин; состояние поверхности; условия нагружения на земле во время осмотра; персонал, выполняющий осмотр (квалификация, острота зрения и др.).

Определение значений 1обн и наработки конструкции N0, при которой трещина обнаруживается впервые, а, следовательно, и заканчивается период выносливости, являются сложными задачами проблемы сохранения целостности конструкции планера.

В методах определения соответствия (МОС) нормативным требованиям АП25.571 по данным вопросам нет четких рекомендаций. В п. 1.4 сказано: «Рекомендуется обеспечить интервал до первого осмотра по условиям сопротивления усталости не меньшим, чем 50% проектного ресурса». При проектном ресурсе 60 тыс. летных часов интервал до первого осмотра 30 тыс. летных часов - слишком велик. Вместе с тем, в этом же документе в п. 4.1.1 сказано: «Учитывая возможность случайных эксплуатационных повреждений, принять в качестве наработки до первого осмотра величины интервала между последующими осмотрами». Эта рекомендация приводит к значительному занижению интервалов до первого осмотра, которые должны быть существенно больше интервалов между последующими осмотрами на этапе «живучести конструкции».

На этапе выносливости конструкции для определения интервалов до первого осмотра критических мест на всем парке ВС в ряде зарубежных авиакомпаний используется метод выборочного контроля. Для каждого критического места конструкции назначается соответствующий объем выборки: 16, 25, 33, 50 процентов, т.е. осмотр того или иного критического места конструкции со вскрытием крышек лючков, снятием обтекателей, зализов и пр. производится не на каждом ВС, а соответственно на каждом 6-м, 4-м, 3-м, 2-м. Могут быть приняты и другие объемы выборок.

При таком подходе, с одной стороны, гарантируется безопасность конструкции, а, с другой, -существенно сокращаются затраты времени и средств на проведение контроля. Задача заключается в том, чтобы определить наработку N (рис. 2), при которой в том или ином критическом месте впервые обнаруживается повреждение (трещина размером 1обн). Эту наработку рекомендуется принимать в качестве интервала до первого осмотра данного критического места или группы критических мест конструкции для всего парка ВС.

На этапе «живучести конструкции» для определения интервалов осмотров тосм, как следует из приведенного выше выражения, необходимо знать: допустимую наработку за период живучести и нормативный коэффициент надежности.

Допустимая наработка (№п - ^) определяется размерами повреждения конструкции, в частности, размерами усталостной трещины 1обн и 1пред. Рекомендации по определению 1обн и соответствующей наработки изложены выше.

Сложнее определить допустимые значения 1пред и предельной наработки с повреждением ^. Эти задачи в соответствии с требованиями авиационных правил 25.571 решаются на этапах создания ВС путем проведения испытаний его компонентов.

Одной из сложных задач, решаемых при назначении интервалов осмотров критических мест конструкции (тосм) является задача определения нормативного коэффициента надежности Пн. В соответствии с рекомендациями МОС АП25.571 нормативный коэффициент надежности определяется как произведение пяти коэффициентов

Лн _Л Щ Л Ла Л,

где: п1 - учитывает уровень соответствия программы испытаний характеру реальных нагрузок в эксплуатации; п2 - учитывает степень опасности и контролируемости разрушения; п3 -

учитывает отличия от типовых (средних) условий эксплуатации; п4 - учитывает разброс характеристик сопротивления усталости; п5 - учитывает степень влияния реальных условий эксплуатации на длительность роста усталостных трещин.

В МОС АП25.571 приведены диапазоны изменения величин каждого из коэффициентов. Эти диапазоны колеблются от 1 до 1,5 - 2,0. При таком подходе определить значение нормативного коэффициента пн с достаточной точностью весьма проблематично. Поэтому и при расчетах, и при испытаниях рекомендуется применять обоснованные величины дополнительных запасов по долговечности.

Структура программы сохранения целостности конструкции

Программа сохранения целостности конструкции ВС в соответствии с рекомендациями ИКАО [2] должна, как минимум, включать:

- дополнительные проверки и осмотры;

- меры предупреждения и уровень коррозии;

- модификации конструкции планера и связанные с ним проверки и осмотры;

- оценки ремонтов.

Программа дополнительных проверок и осмотров основывается на следующих сведениях:

а) описания данной составной части или элемента и прилегающей конструкции (способ обеспечения доступа также должен быть приведён);

б) вид рассматриваемого повреждения (например, усталость, износ, коррозия, случайное повреждение);

в) опыт эксплуатации и эксплуатационные бюллетени, относящиеся к рассматриваемому вопросу;

г) вероятное место (места) повреждения;

д) рекомендуемые метод и технология контроля и альтернативы им;

е) минимальный размер повреждения, считающийся обнаруживаемым при данном методе контроля;

ж) указания эксплуатанту относительно того, какие результаты проверок и осмотров должны доводиться до организации, ответственной за типовую конструкцию;

з) рекомендуемый срок начала проведения контроля;

и) рекомендуемая периодичность повторного контроля.

Программа предупреждения и контроля уровня коррозии должна содержать рекомендации по определению уровней коррозии, способам контроля, восстановления защитных покрытий, а также регистрации и отчётности по результатам контроля.

Следует отметить, что в отношении коррозии пока не разработаны аналитические расчётные методы установления сроков начала и периодичности выполнения проверок, поэтому необходимо руководствоваться результатами анализа опыта эксплуатации ВС - аналогов.

В программе для каждого критического места конструкции ВС оговариваются:

- конкретные действия, принимаемые в случае обнаружения очагов коррозии разного уровня;

- обстоятельства, требующие применение методов контроля, отличных от визуальных;

- требования в отношении доступности к критическим местам конструкции для их контроля;

- технологические процессы восстановления защитного покрытия;

- процедуры регистрации и отчётности, на пример, в форме ведения для каждого экземпляра ВС «паспорта коррозионного состояния».

В программе по модификациям конструкции и связанных с ними проверками и осмотрами содержится подробная информация о модификациях или заменах изделий и сроках их выпол-

нения, которые снизят или исключат необходимость проведения повторных проверок и осмотров, направленных на сохранение целостности конструкции.

Программа оценки ремонтов авиационных изделий содержит предложения по оценке уже выполненных ремонтов на эксплуатируемых ВС.

Оценка ремонтов в отношении сохранения целостности конструкции осуществляется эксплуатантами и организациями, ответственными за типовую конструкцию.

Программа должна содержать указания в отношении документирования всех выполненных ремонтов изделий силовой конструкции.

Следует заметить, что задача разработки программ и оценки ремонтов и её реализации в полном объёме ещё не решена окончательно. По данным ИКАО организации, ответственные за типовую конструкцию ВС, с помощью эксплуатантов и полномочных органов работают над созданием приемлемой для практики методологии, которая позволит эксплуатантам оценивать выполненные ремонты без проведения сложного анализа.

Выводы

1. Целостность конструкции планера, как фактор влияющий на лётную годность ВС, обеспечивается на стадии создания ВС и далее сохраняется (поддерживается) на стадии эксплуатации.

2. Решение задач сохранения целостности конструкции планера конкретного типа ВС должно осуществляться на основе специально разработанной программы.

3. Осмотры, проверки, замены элементов, описанные в такой программе, являются дополнительными к исходной программе ТО и Р ВС эксплуатанта.

4. Инициатором разработки программы сохранения целостности конструкции выступает организация, ответственная за типовую конструкцию ВС, а её разработка проводится совместно с представителями эксплуатантов и полномочных органов в области лётной годности.

5. Для успешной работы над формированием таких программ требуется соответствующее научно-методическое и информационное обеспечение, разработанное по рекомендациям ИКАО применительно к отечественной практике создания ВС и условиям их эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Приложение 8 к Конвенции о международной гражданской авиации «Летная годность ВС», ИКАО, 2001.

2. Руководство по летной годности. Том 1 и 2, ИКАО, 2001 (Дос.9760).

3. Арепьев А.Н., Громов М.С., Шапкин В.С. Введение в теорию эксплуатационной живучести авиаконструкций. - М.: МГТУ ГА, 2000.

4. Смирнов Н.Н., Чинючин Ю.М. Современные проблемы технической эксплуатации ВС. - М.: МГТУ ГА, 2007.

MAKING A PROGRAM FOR CONDITIONS OF DURABILITY IN KEEPING INTEGRITY OF THE DESIGN OF THE GLIDER OF THE AIR VESSEL

Smirnov N.P.

A problem to be considered is to make a program and previde its taking into consideration all the achievments in science an methodie. The goal is to preserve integrity of desing of a dlider of air couts in the development of operation.

Сведения об авторе

Смирнов Николай Павлович, 1981 г.р., окончил МГТУ ГА (2004), инженер ГосНИИ ГА, автор 9 научных работ, область научных интересов - сохранение летной годности и повышение эффективности эксплуатации воздушных судов.