3.3. Эксплуатационная живучесть конструкции

К числу ЭТХ ЛА относится его эксплуатационная живучесть – свойство, обеспечивающее нормальное выполнение заданных функций всеми системами ЛА в полете при наличии отказов или повреждений отдельных агрегатов, элементов, узлов. Характеристики живучести объекта эксплуатации непосредственно влияют на показатели безопасности полетов, регулярности вылетов по расписанию, а также на экономичность эксплуатации.

Живучесть конструкции объекта обеспечивается на этапах проектирования и производства. При этом возможно использование трех основных принципов обеспечения безопасности по условиям прочности:

• безопасный ресурс (срок службы);

• безопасность разрушения (повреждения);

• допустимость повреждения.

Безопасный ресурс (срок службы) – свойство конструкции и способ обеспечения ее безопасности по условиям прочности путем установления допустимой наработки (календарной продолжительности), в течение которой в конструкции не будут возникать повреждения, снижающие прочность ниже допустимого уровня. Теоретически специальный контроль конструкции в эксплуатации не требуется.

Безопасность разрушения (повреждения) – свойство конструкции и способ обеспечения ее безопасности по условиям прочности путем создания такой конструкции, что после возможного ее существенного повреждения или разрушения одного из основных силовых элементов остаточная прочность, несмотря на неотремонтированное состояние, не снизится более, чем до допустимого уровня, за интервал времени, в течение которого повреждение (разрушение) будет заведомо обнаружено.

Допустимость повреждения – это свойство конструкции и способ обеспечения ее безопасности по условиям прочности путем установления осмотров конструкции в эксплуатации с целью обнаружения возможного повреждения и последующего ремонта или замены элемента, до наступления состояния, когда снижение прочности окажется недопустимым.

Последние два из указанных принципов объединяются обобщенным термином “эксплуатационная живучесть” [4].

При назначении безопасного ресурса предполагается, что в процессе его отработки ни на одном из ЛА парка практически не будут возникать усталостные трещины. Все критические по усталости зоны должны быть выявлены при лабораторных прочностных исследованиях и устранены.

Главный недостаток принципа безопасного ресурса состоит в том, что большинство ЛА должны направляться в капитальный ремонт или списываться преждевременно, до исчерпания индивидуальной долговечности. Кроме того, конструкции с безопасным ресурсом требуют низких уровней допускаемых напряжений, что отрицательно сказывается на весовых и, следовательно, экономических характеристиках ЛА.

Основное преимущество конструкции с безопасным ресурсом заключается в простоте и малых трудозатратах на техническое обслуживание, поскольку такая конструкция обеспечивает возможность заблаговременного планирования замены агрегатов, исчерпывающих ресурс.

В конструкции с эксплуатационной живучестью допускается появление трещин в отдельных силовых элементах, которые не должны приводить к разрушению или чрезмерной деформации всей конструкции. Это достигается выбором типа конструкции, при котором, во-первых, возможные разрушения элементов или усталостные трещины только уменьшают до некоторой степени статическую прочность и, во-вторых, трещины развиваются достаточно медленно.

Допускаемые напряжения в элементах конструкции с эксплуатационной живучестью могут быть больше на 15…20% по сравнению с соответствующими напряжениями, принимаемыми для конструкции с безопасным ресурсом. Это повышает весовую эффективность конструкции с эксплуатационной живучестью.

Однако конструкция с эксплуатационной живучестью требует более трудоемкого обслуживания, так как появление трещин, начиная с некоторой наработки, является не исключением, а закономерным явлением. Гарантия безопасности полетов в данном случае основывается на уверенности в том, что любые усталостные трещины будут выявлены раньше, чем они достигнут опасных размеров.

На практике при создании современных ЛА используются все три принципа. В этом случае конструкция планера в целом или его отдельных агрегатов является конструкцией, реализующей принцип эксплуатационной живучести. В тоже время некоторые силовые элементы конструкции могут быть выполнены по принципу обеспечения безопасного ресурса. К таким элементам относятся, в первую очередь, детали, выполненные из высокопрочных материалов с большим сосредоточением материала в сечении, которые труднодоступны для осмотра.

С позиций обеспечения безопасности рассматриваемые принципы дополняют друг друга. Принцип безопасного ресурса требует отсутствия трещин, принцип эксплуатационной живучести требует их надежного обнаружения про ТОиР.

Для мест конструкции, критичных по условиям усталостной прочности, наряду с повреждением единичной трещиной следует учитывать:

обширное усталостное повреждение, т.е. усталостное повреждение конструкции, которое характеризуется одновременным наличием в одной или нескольких смежных деталях конструкции многих трещин таких размеров и с такой плотностью расположения, что остаточная прочность конструкции не сохраняется далее на допустимом уровне;

многоочаговое повреждение, конструкции, характеризующееся одновременным наличием усталостных трещин в одном и том же элементе конструкции, которые в случае объединения, с участием (или без него) другого повреждения, приведут к снижению остаточной прочности ниже допустимого уровня;

многоэлементное повреждение конструкции, характеризующееся одновременным наличием усталостных трещин в смежных конструктивных элементах, которые приведут к обширному усталостному повреждению.

При анализе безопасности конструкции по условиям прочности различают:

основную силовую конструкцию – конструкцию, воспринимающую полетные и наземные нагрузки, а также нагрузки от избыточного давления;

основные силовые элементы – элементы основной силовой конструкции, которые воспринимают значительную часть (долю) нагрузок и чья целостность существенна для сохранения общей целостности конструкции ЛА;

особо ответственные конструктивные элементы – силовые элементы конструкции, единичный отказ (разрушение, повреждение) которых приводит к аварийной или катастрофической ситуации;

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

Для обеспечения полноты анализа конструкции в целом Разработчик ЛА определяет перечень критических мест. Этот перечень разрабатывается при проектировании ЛА и уточняется по результатам лабораторных испытаний и опыта эксплуатации.

Как правило, к критическим местам конструкции относятся:

• соединения между основными частями конструкции;

• неподвижные соединения, которые требуют смазки для предотвращения фреттинг-коррозии;

• участки конструкции, чувствительные к усталости;

• области конструкции, подверженные коррозии;

• элементы и участки конструкции, повреждения которых могут быть вызваны случайными причинами при сборке, изготовлении, во время технического обслуживания и ремонта ЛА;

• элементы конструкции, которым установлен безопасный ресурс(срок службы) до замены;

• элементы конструкции, выявленные по результатам испытаний образцов конструктивных элементов.

В упрощенном виде схему обеспечения безопасности элемента конструкции по условиям прочности при длительной эксплуатации ЛА можно представить в следующем виде (рис.3.6).

Кривая АВС на рис.3.6 иллюстрирует изменение прочности элемента в процессе эксплуатации. Кривая НВС показывает размер трещины усталости.

Через некоторое число полетов N_н в элементе возникает трещина (точка H). Эта трещина еще мала и ее нельзя обнаружить существующими методами. При наработке N₀, соответствующей точке B, размер трещины увеличивается и ее уже можно обнаружить. С увеличением длины трещины остаточная прочность постепенно уменьшается, пока при наработке N_k, соответствующей точке С, она становится меньше R_min.э - происходит разрушение элемента.

Наработка N₀ характеризует выносливость элемента. Наработка N_п-N₀ характеризует его живучесть.

При предельном состоянии конструкции размер ее повреждения l_пред. и, соответственно, остаточная прочность R_min.э должны обеспечивать восприятие максимальной эксплуатационной нагрузки. В авиации максимальное значение эксплуатационной нагрузки составляет 0.67 от разрушающей. Следовательно, R_min.э = 0.67 R₀.

Таким образом, (см. рис.3.6) для авиаконструкции можно выделить :

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

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

Рис.3.6. Схема обеспечения безопасности элемента конструкции по условиям прочности:

R-прочность; l-длина трещины; N-число полетов; l_обн,l_пред,l_кр – длина трещины обнаруживаемой, предельной и критической, соответственно; ₁,₂,₃,₄ – периодичность осмотров элемента; N_н, N_о, N_п, N_к – число полетов до появления трещины, до ее обнаружения, до предельного значения, до критического значения, соответственно.

Рекомендуется, чтобы период выносливости конструкции был не меньше 50% проектной долговечности. Для обеспечения безопасной эксплуатации конструкции в течение периода живучести необходимо провести не одну проверку, поскольку трещина с минимальным размером, допускающим ее обнаружение, при одной проверке может быть пропущена. Количество осмотров зависит от величины интервала между осмотрами _осм, которая в свою очередь определяется по следующей схеме

_осм= .

Допустимая наработка за период живучести в значительной мере зависит от обнаруживаемой длины трещины l_обн., которая обычно не может быть пропущена при проведении осмотров и проверок с использованием надежных и оправданных методов контроля, и скорости развития трещины. В свою очередь l_обн. зависит от следующих факторов:

а) метод и уровень осмотра:

• визуальный осмотр(осмотр невооруженным глазом или с применением увеличивающих луп);

• неразрушающие методы и средства контроля;

б) доступность к элементу конструкции для осмотра и его освещенность;

в) размеры зон вероятного появления трещин:

• локальные зоны, где трещины возникают в точно закоординированных местах (отверстия, галтельные переходы);

• ограниченные зоны сравнительно не большой площади, закоординированные номером нервюры, стрингера и т.д.;

• общие зоны сравнительно большой площади (например, нижняя поверхность крыла);

г) состояние поверхности;

д) условия нагружения на земле во время осмотра:

• состояние растяжения;

• состояние сжатия;

е) персонал, выполняющий осмотр, - квалификация, острота зрения и др.

Опыт эксплуатации показал, что в конструкции планера самолета надежно обнаруживаются следующие размеры трещин [4]:

• 500…1000 мм – при послеполетных и предполетных осмотрах;

• 300 мм – в условиях периодической формы технического обслуживания при осмотрах общих зон;

• 50 мм – в условиях капитального ремонта при осмотрах общих и ограниченных зон;

• 5 мм – в условиях капитального ремонта при использовании современных методов инструментального контроля локальных зон со свободным доступом;

• 75..100 мм – в кессон-баках крыла по течи топлива.

Регламентированные повреждения приводятся в соответствующих нормативных документах. Остаточная прочность конструкции с регламентированными повреждениями должна составлять не менее 67% от расчетной прочности.

При обеспечении характеристик безопасности разрушения конструкции в качестве предельных состояний рекомендуется принимать состояния, характеризующиеся регламентированными повреждениями. В табл.3.4. представлены регламентированные повреждения на примере методов определения соответствия (МОС) Авиационным правилам АП25.571 [4].

Таблица 3.4

РЕГЛАМЕНТИРОВАННЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ

(приложение 1-М25.571)

Агрегат	Вид повреждения
Вся конструкция	Разрушение одного из элементов при многопутной передаче нагрузки
Кессонные конструкции крыла и оперения	Двухпролетная (длиной в два межстрингерных расстояния) трещина обшивки в любом месте по размаху с разрушенным подкрепляющим элементом (стрингером), в том числе, в зоне продольного стыка панелей (обшивки), с разрушенным перестыковочным стрингером и трещиной в обеих панелях. Одновременное полное разрушение пояса крайнего (переднего или заднего) лонжерона, трещина в стенке лонжерона до 1/3 ее высоты и трещина в обшивке под разрушенным поясом длиной в одно межстрингерное расстояние. Полное разрушение одной из панелей.
Фюзеляж	Двухпролетная (длиной в два межстрингерных расстояния) трещина обшивки в поперечном направлении фюзеляжа с разрушенным стрингером. Двухпролетная (длиной в два межшпангоутных расстояния) трещина обшивки в продольном направлении фюзеляжа с разрушенным шпангоутом. Трещина (одновременно в обшивке и окантовке) у вырезов под уборку стоек шасси, у дверей, багажных люков и др. (150 мм). Трещина в герметических стенках и днищах.
Стык фюзеляжа с крылом или оперением	Полное разрушение одного из элементов стыка.

Безопасность конструкции с допустимыми повреждениями достигается системой контроля ее состояния. Поэтому главной целью анализа допустимого повреждения является программа осмотров силовых элементов конструкции в процессе эксплуатации, особенно в зонах вероятного возникновения усталостных и коррозийных повреждений, а также в зонах повреждения случайными нагрузками в эксплуатации.

Программа осмотров должна определять частоту повреждения осмотров, 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. Необходим возможно медленный рост этих повреждений с тем, чтобы требуемая частота осмотра (инструментального контроля) была приемлемой для системы технического обслуживания и ремонта ЛА.

Успешная реализация принципа эксплуатационной живучести предполагает высокий уровень эксплуатационной технологичности и контролепригодности конструкций ЛА.