Воздействие натекающих воздушных потоков на элементы конструкции транспортных средств из полимерных материалов и особенности их диагностики

УДК 629.7

ВОЗДЕЙСТВИЕ НАТЕКАЮЩИХ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ДИАГНОСТИКИ

Д.А. Иванов1, А.А. Колосков2

Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации,

196210, Санкт-Петербург, ул. Пилотов, 38

Данная статья посвящена оценке влияния нестационарных дозвуковых воздушных потоков, воздействующих на элементы конструкции транспортных средств из полимерных композиционных материалов и проблемам диагностики их технического состояния.

Ключевые слова: полимерные материалы, механические свойства, воздушный поток.

ACTION OF THE LEAKING-IN AIR FLOW ON THE ELEMENTS OF THE CONSTRUCTION OF TRANSPORTATION MEANS FROM THE POLYMERIC MATERIALS AND THE SPECIAL FEATURES OF THEIR DIAGNOSTICS

D.A. Ivanov, A.A. Koloskov

Saint-Petersburg state university of civil aviation, 196210, st. Petersburg, str. Pilotov, 38

This article is dedicated to the evaluation of the influence of the nonstationary subsonic air flow, which influence the elements of the construction of transportation means from the polymeric composite materials and to the problems of diagnostics of their technical state.

Keywords: polymeric materials, mechanical properties, the air flow.

Целью данного исследования является оценка влияния нестационарных дозвуковых воздушных потоков на элементы конструкции транспортных средств из полимерных композиционных материалов в процессе эксплуатации, а также разработка производственных технологий повышения механических и эксплуатационных свойств полимерных материалов, основывающихся на воздействии пульсирующих газовых потоков, которые могли бы быть применены, в том числе, при восстановительном ремонте.

Элементы конструкции транспортных средств из полимерных материалов, в том числе композиционных с полимерной матрицей, которые могут подвергаться воздействию нестационарных воздушных и других газовых течений в процессе эксплуатации, всё шире применяются в наземном и воздушном транспорте, что делает актуальным исследование последствий подобного воздействия на их прочностные свойства. Так, в ходе реализации проекта МС-21 полимерные композиционные материалы используют при изготовлении лонжеронов, панелей центроплана и консоли крыла, дренажных коробов, законцовок,

элементов механизации и управления (интерцеп-торы, воздушный тормоз, элерон, внешний и внутренний закрылок, руль направления, рули высоты), всего свыше 100 элементов конструкции. Большинство данных элементов в процессе эксплуатации подвергается непосредственному влиянию нестационарных воздушных потоков.

Исследования в области прочностных свойств полимерных материалов тем более важны, что к изделиям из них применимо меньшее количество методов и средств диагностирования элементов конструкции авиационной техники в сравнении с металлическими (неприменимы магнитные и вихретоковые методы контроля). Основной метод технической диагностики, к ним применяемый - ультразвуковая дефектоскопия характеризуется невысокой производительностью, особенно при значительной площади подвергаемой контролю поверхности. Поэтому представляется важной решение задачи локализации области поиска за счёт совершенствования знаний о наиболее вероятном местоположении дефектов.

1Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры авиационной техники и диагностики СПбГУГА, тел.: +7 981 764 08 22, е-таИ: tm_06@mail.ru;

2Колосков Александр Александрович - аспирант кафедры авиационной техники и диагностики СПбГУГА, тел.: +7 926 904 50 55, е-таИ: koloskov16@gmail.com

Полимерные материалы в большей степени поглощают энергию механических колебаний по сравнению с металлическими.

Внешнее воздействие может оказывать влияние на структуру полимеров, так, для полимера с линейной макромолекулярной структурой в условиях действия внешнего напряжения происходит перемещение макромолекул относительно друг друга.

Известно, что прочность торцового контакта макромолекул более чем на порядок превышает прочность бокового контакта и макромолекулы могут ориентироваться параллельно направлению приложения нагрузки. При этом механические свойства полимера в направлении ориентации увеличиваются до 5 раз, а в перпендикулярном направлении уменьшаются до 2 раз по сравнению с исходным значением. Анизотропия прочности объясняется изменением соотношения торцового и бокового контактов макромолекул полимера.

Кроме того, влияние на свойства полимеров могут оказывать процессы старения, интенсифицирующиеся под действием механических напряжений.

В термореактивных смолах, являющихся матрицей полимерных композиционных материалов, под действием механических колебаний могут протекать процессы устранения воздушных пузырьков, доотверждения и модификации физико-механических свойств.

Исследовалось влияние нестационарных дозвуковых воздушных потоков - газоимпульсной обработки [1 - 10] на механические и эксплуатационные свойства некоторых полимерных материалов. Обдув осуществлялся в течение 15 минут без использования нагрева при частоте пульсаций воздушного потока порядка 1130 Гц и звуковом давлении до 120 дБ. Все образцы располагались поперёк газового потока, за исключением располагавшихся как в поперечном, так и в продольном направлении образцов из полиме-тилметакрилата, и во всех случаях кроме последнего, направление удара маятника копра при испытаниях на динамический изгиб совпадало с направлением обдува. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

В случае полиметилметакрилата значение предела прочности у образцов, обработанных пульсирующим газовым потоком в течение 15 минут в среднем 107 МПа при расположении вдоль газового потока и 105 МПа при поперечном расположении, что соответственно на 42,7 и 37% больше, чем у необдутых (75 МПа). При этом значение относительного удлинения как при продольном, так и при поперечном направлениях обдува снижается с 3% практически до 0.

В ходе испытаний на динамический изгиб выявлено повышение ударной вязкости по-лиметилметакрилата в результате 10-минутной обработки пульсирующим воздушным потоком при совпадении направления удара маятника копра с направлением обдува с 15,6 кДж/м2 до 17.4 кДж/м2, или на 11,5 %. Изломы представлены на рис. 1. При этом прочность практически не изменяется.

При увеличении продолжительности обдува до 15 минут наблюдалось значительное снижение работы, затраченной на разрушение полиметилметакрилата при совпадении направления удара маятника копра с направлением обдува (до 2,5 раз). Снижение ударной вязкости полиметилметакрилата не наблюдается при 15-минутном обдуве в направлении, перпендикулярном направлению удара маятника.

а б

Рисунок 1 - Изломы необработанного образца

Газоимпульсная обработка текстолита дала результаты увеличения ударной вязкости при поперечном направлении обдува, совпадающем с направлением динамического нагружения. Так, у необдутых образцов ударная вязкость КС в среднем составила 33,6 кДж/м2, у обдутых образцов ударная вязкость составила 36,7 кДж/м2, что на 9,2% больше. Текстолитовый лист, из которого были вырезаны образцы квадратного сечения, имел толщину 11,8 мм. Предел прочности текстолита при расположении обдуваемых образцов поперёк газового потока в среднем составил 129 МПа, что на 35,8 % больше, чем у необ-дутых (95 МПа). Такое же упрочнение наблюдалось при продольном расположении образца относительно газового потока. Относительное удлинение во всех случаях около 1%.

В случае гетинакса ударная вязкость при обдуве поперёк потока совпадает у обдутых и необдутых образцов. Предел прочности обдутых поперёк потока образцов составилв среднем 35

МПа, что на 56 % ниже, чем у необдутых (80 МПа).

Плоские образцы из стеклотекстолита обдували с широкой стороны. Стеклотекстоли-товый лист (марка СТЭФ-НТ), из которого были вырезаны образцы, имел толщину 2 мм. У необдутых образцов ударная вязкость составила в среднем 170 кДж/м2, в случае обдутых в течение 15 минут образцов ударная вязкость составила 175 кДж/м2, что всего на 3 % больше.

Вместе с тем, если при статическом изгибе необдутые образцы полностью разрушались по достижении угла 45 градусов, то в случае обдутых образцов полного разрушения не происходит даже при складывании вдвое. При этом предел прочности стеклотекстолита может повышаться с 360 до 480 МПа или на 33%.

В случае стеклотекстолитового листа (марка СТЭФ-Ш) толщиной 5,2 мм снижение продолжительности обдува до 10 минут при поперечном расположении образца относительно пульсирующего воздушного потока приводит к более значительному росту ударной вязкости с 89 кДж/м2 до 114 кДж/м2 или на 28 % (рис 2.). Также были проведены испытания образцов из стеклотекстолита на изгиб. Обдув и изгиб осуществлялись перпендикулярно слоям. Результаты испытаний представлены в таблице 2. Эти данные свидетельствуют о положительном влиянии обработки пульсирующим газовым потоком на изгибную прочность стеклотекстолита, рост которой превышает 9%, причём имеется оптимальная продолжительность обработки, по превышении которой положительный эффект уменьшается.

б

Рисунок 2 - Стеклотекстолит, испытания на динамический изгиб: а - обдув 10 мин поперёк, б - без обдува

В случае полистирола, после аналогичных обработки и испытаний, у необдутых образцов ударная вязкость составила 11,6 кДж/м2, у обдутых образцов ударная вязкость составила 15,9 кДж/м2, что на 37% больше. Кроме того, у

необдутых образцов трещина распространяется прямолинейно, а в случае обдутых она имеет криволинейную форму.

Образцы в виде пластин из полистирола, в том числе обдутые в поперечном направлении, испытывались на перегиб. В среднем число ги-бов до разрушения ^=3 у необдутых образцов и 4 у обдутых, что на треть больше. Толщина пластины составляла 1,8 мм, ширина 8 мм (рис. 3). Также, значение предела прочности полистирола увеличилось с 20,9 до 22,2 МПа или на 6,2 % при одновременном увеличении относительного удлинения, которое составило 5% против 3% у необдутых, или на 67% больше (рис. 4).

а б в г

Рисунок 3 Пластины из полистирола после испытаний на перегиб: а, б - необдутые. в, г - подвергавшиеся воздействию пульсирующего воздушного потока

Рисунок 4 - Пластины из полистирола после испытаний на растяжение: а, - необдутая, б - подвергавшаяся воздействию пульсирующего воздушного потока

В случае акрилонитрилбутадиенстирола (АБС) при поперечном направлении обдува предел прочности обдутого образца составил 27,6 МПа, что на 20% больше, чем у необдутых, (23 МПа). В случае обдува с расположением образцов вдоль потока наблюдается рост значения предела прочности до 28 МПа, или на 22%. При этом относительное удлинение у всех образцов в среднем составило 2%. При поперечном направлении обдува ударная вязкость обдутых образцов составила, в среднем, 50 кДж/м2, что на 25% больше, чем у необдутых (40 кДж/м2). При продольном направлении обдува ударная вязкость

обдутых образцов составила, в среднем, 48 кДж/м2, что на 20% больше, чем у необдутых.

В случае стиролакрилонитрила (САН) при поперечном направлении обдува ударная вязкость возрастает с, в среднем,20 кДж/м2 до 28 кДж/м2, или на 40%, в то время, как обдув в продольном направлении практически не оказал влияния на ударную вязкость. Изломы образцов из стиролакрилонитрила после испытаний на динамический изгиб без обработки и с газоимпульсной обработкой поперёк потока представлены на рис. 5. При этом значение предела прочности, как при продольном, так и поперечном их расположении при обдуве возрастает с 31 МПа для необдутых образцов до 37 МПа, или на 19%.

В случае поливинилхлорида при поперечном направлении обдува предел прочности обдутого образца составил 14 МПа, что на 12,5% меньше, чем у необдутых (16 МПа). При этом относительное удлинение у обдутых образцов составило 260%, что на 8% больше, чем у необ-дутых (240%).

В случае обдува с расположением образцов вдоль потока наблюдается рост значения предела прочности до 19 МПа, или на 18,8%. При этом относительное удлинение у обдутых образцов составило 210%, что на 12,5% ниже, чем у необдутых.

В случае полиэтилена низкого давления при обдуве поперёк потока наблюдается снижение предела прочности с 19 до 15 МПа или на 21,1%. При этом относительное удлинение у обдутых образцов в среднем составило 360%, что на 5,9% больше, чем у необдутых (340%).

В случае полиэтилена высокого давления при обдуве поперёк потока наблюдается снижение предела прочности с 7 до 3,6 МПа или на 48,6%. При этом относительное удлинение у обдутых образцов составило 62%, что на 14,8% больше, чем у необдутых (54%).

При обдуве углепластика КМУ-4Л в течение 10 минут и поперечном расположении образцов относительно пульсирующего воздушного потока наблюдается рост ударной вязкости с 81 кДж/м2 до 85 кДж/м2 или на 5% и рост предела прочности с 160 МПа до 214 МПа или на 34%.

Обдув в течение 15 минут углепластика КМУ-4Л привёл к снижению ударной вязкости с 81 кДж/м2 до 75,5 кДж/м2 при расположении образцов как в продольном, так и в поперечном направлении относительно пульсирующего воздушного потока. Удары наносились со стороны торцов слоёв (рис 6.). Предел прочности при поперечном направлении обдува снизился с 160 МПа до 120 МПа при поперечном направлении обдува и до 110 МПа при продольном.

Рисунок 5 - Стиролакрилонитрил (САН). Изломы после испытаний на динамический изгиб: а - без

обдува, б - обдув поперёк потока. Направление удара при испытаниях - со стороны ребра

В случае обдува ударных образцов в течение 10 минут перпендикулярно слоям, поперёк потока, и направлении удара, совпадающем или противоположном направлению обдува, наблюдается рост ударной вязкости в сравнении с образцами, не подвергавшимися обработке пульсирующим воздушным потоком с 103 кДж/м2 до 113 кДж/м2 или на 9,7% (рис. 7). При снижении продолжительности обдува до 2,5 мин. рост ударной вязкости в сравнении с образцами, не подвергавшимися обработке пульсирующим воздушным потоком с 103 кДж/м2 до 130 кДж/м2 или на 26,2% (рис. 8). Обдув в течение 15 минут углепластика КМУ-4Л привёл к снижению ударной вязкости до 109 кДж/м2 при том же расположении образцов (рис. 9). С момента обдува и до испытания промежуток времени был одинаков и составил 10 суток (табл. 3).

Дальнейшие исследования влияния продолжительности воздействия пульсирующего газового потока на свойства КМУ-4Л осуществлялись путём испытаний на изгиб. Результаты испытаний представлены в таблице 4.

В таблице 5 приведены результаты исследования изгибной прочности подвергнутого газоимпульсной обработке КМУ-4Л при различных временных интервалах между обработкой и испытанием. Попречное сечение образцов составляло 2,5^13 мм2. Положение образца при обдуве и динамическом нагружении поперёк потока перпендикулярно слоям.

Результаты испытаний показали, что механические свойства КМУ-4Л, подвергнутого газоимпульсной обработке, практически не меняется со временем.

Эти и ранее полученные данные свидетельствуют о положительном влиянии обработки пульсирующим газовым потоком на комплекс механических свойств КМУ-4Л при условии её продолжительности, не превышающей опреде-

лённое время, зависящее от размера обрабатываемого изделия и амплитудно-частотных характеристик газового потока (отношение частоты колебаний газового потока к частоте собственных колебаний изделия).

в

Рисунок 6 - КМУ-4Л: а - без обдува, б - обдув 15 минут поперёк, в - обдув 15 минут вдоль. Обдув и удар со стороны слоёв

б

Рисунок 7 - КМУ-4Л: а - обдув 10 минут поперёк потока, перпендикулярно слоям. Направление удара совпадает с направлением обдува. б - без обдува

В случае фторопласта 4 при поперечном направлении обдува предел прочности обдутого образца составил 9,5 МПа, что на 48,7% ниже, чем у необдутого (18,5 МПа). При этом относительное удлинение у обдутых образцов в среднем составило 51%, что на 6,3% больше, чем у необдутого (48%).

Рисунок 8 - КМУ-4Л: Обдув 2,5 минуты поперёк потока, перпендикулярно слоям. Направление удара совпадает с направлением обдува

Рисунок 9 - КМУ-4Л: Обдув 15 минут поперёк потока, перпендикулярно слоям. Направление удара совпадает с направлением обдува

Полимерные материалы в большей степени поглощают энергию механических колебаний по сравнению с металлическими.

Внешнее воздействие может оказывать влияние на структуру полимеров, так, для полимера с линейной макромолекулярной структурой в условиях действия внешнего напряжения происходит перемещение макромолекул относительно друг друга.

Известно, что прочность торцового контакта макромолекул более чем на порядок превышает прочность бокового контакта и макромолекулы могут ориентироваться параллельно направлению приложения нагрузки. При этом механические свойства полимера в направлении ориентации увеличиваются до 5 раз, а в перпендикулярном направлении уменьшаются до 2 раз по сравнению с исходным значением. Анизотропия прочности объясняется изменением соотношения торцового и бокового контактов макромолекул полимера.

Кроме того, влияние на свойства полимеров могут оказывать процессы старения, интенсифицирующиеся под действием механических напряжений.

Таким образом, воздействие пульсирующих газовых потоков на полимерные материалы, как термопластические так и термореактивные, включая слоистые композиционные, может вызывать существенные, в том числе положительные изменения их механических и эксплуатационных свойств.

Таблица 1 - Воздействие пульсирующего газового потока на свойства полимерных материалов

материал положение относительно газового потока ув , МПа б, % КС кДж/м2

полиметилметакрилат поперёк 105 0 17,4

вдоль 107 0 15,6

без обдува 75 3 15,6

текстолит поперёк 129 1 36,7

вдоль то же то же то же

без обдува 95 1 33,6

гетинакс поперёк 35 0 15

без обдува 80 0 15

стеклотекстолит поперёк 480 0 175

без обдува 360 0 170

полистирол поперёк 22,2 5 15,9

без обдува 20,9 3 11,6

полиэтилен низкого давления поперёк 15 360 -

без обдува 19 340 -

полиэтилен высокого давления поперёк 3,6 62 -

без обдува 7 54 -

фторопласт 4 поперёк 9,5 51 -

без обдува 18,5 48 -

акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) поперёк 27,6 2 50

вдоль 28 2 48

без обдува 23 2 40

стиролакрилонитрил (САН) поперёк 37 0 28

вдоль 37 0 20

без обдува 31 0 20

поливинилхлорид поперёк 14 260 -

вдоль 19 210 -

без обдува 16 240 -

углепластик КМУ-4Л поперёк 214 - 85

без обдува 160 - 81

Таблица 2 - Воздействие продолжительности воздействия пульсирующего газового потока на изгиб-ную прочность стеклотекстолита

продолжительность обработки без обработки 2,5 мин 5 мин 10 мин

^изг, МПа 458 462 500 469

Таблица 3 - Воздействие продолжительности воздействия пульсирующего газового потока на ударную вязкость КМУ-4Л при обдуве перпендикулярно слоям

продолжительность обработки без обработки 2,5 мин 5 мин 10 мин 15 мин

КС , кДж/м2 103 130 97 113 109

Таблица 4 - Воздействие продолжительности воздействия пульсирующего газового потока на изгиб-ную прочность КМУ-4Л

Время обдува, мин Положение образца при обдуве ^изг перпендикулярно слоям, МПа ^изг параллельно слоям, МПа

0 без обдува 258 281

5 поперёк потока перпендикулярно слоям 344 357

поперёк потока параллельно слоям 381 427

вдоль потока 362 373

10 поперёк потока параллельно слоям 323 351

вдоль потока 295 311

15 поперёк потока параллельно слоям 196 229

Таблица 5 - Свойства подвергнутого газоимпульсной обработке КМУ-4Л при различных временных интервалах между обработкой и испытанием

Время обдува, мин Положение образца при обдуве ^изг перпендикулярно слоям, МПа Интервал между обработкой и испытанием, сут.

2,5 поперёк потока перпендикулярно слоям 308 0

297 6

307 12

306 19

298 30

5 поперёк потока перпендикулярно слоям 203 3

218 11

286 19

0 без обдува 211 -

Литература

1. Иванов Д. А. Повышение конструктивной прочности материалов за счёт воздействия пульсирующих дозвуковых низкочастотных газовых потоков. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. - 123 с.

2. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Обработка пульсирующим газовым потоком высокопрочных и пружинных сталей // Двигателестроение. - СПб., 2014, №3, с. 3436.

3. Булычев А.В., Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру, свойства и напряженное состояние металлических изделий // Технология металлов. - М., 2013, №11, с. 30-33.

4. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование пульсирующего дозвукового газового потока для повышения эксплуатационных свойств металлических изделий // Технология металлов. - М., 2015, №1, с. 34-38.

5. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение коррозионной стойкости конструкционных сталей газоимпульсной обработкой // Технология металлов. - М., 2015, №10, с. 27-31.

6. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Обработка инструментальных сталей пульсирующими газовыми потоками // Технология металлов. - М., 2017, №6, с. 17-22.

7. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Направления совершенствования технологии обработки металлических материалов пульсирующими газовыми потоками // Технико-технологические проблемы сервиса. 2015, №4, с. 15-21.

8. Иванов Д. А. Прокаливаемость сталей при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоз-душном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. 2010, №1, с. 50-53.

9. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности металлических материалов путём их обработки нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева // Технико-технологические проблемы сервиса. 2011, №4, с. 24-29.

10. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения деталей бытовых машин // Технико-технологические проблемы. 2012, № 4, с. 33-37.