Современная авиация стремится к снижению веса самолетов, поскольку это напрямую влияет на расход топлива и стоимость перевозок. Один из способов — заменить тяжелые металлические детали на легкие композиты. Однако сегодня сложно определить их прочность, так как испытания проводятся не на маленьких образцах, а на самих деталях, что занимает от нескольких недель до месяцев. В результате инженеры продолжают использовать металл, проверять который значительно быстрее и проще. Ученые Пермского Политеха впервые создали методику, которая позволяет оценить прочность композитных деталей за несколько часов. Разработка уже внедрена в авиационной промышленности и помогает проектировать новые детали, сокращая время и затраты на испытания.
Статья опубликована в журнале «Заводская лаборатория. Диагностика материалов».
В современной авиации инженеры непрерывно работают над усовершенствованием деталей и материалов, из которых строят самолеты. Их пытаются сделать прочнее, долговечнее, а также как можно легче. Снижение массы — это один из самых эффективных способов улучшить летательный аппарат, поскольку чем меньше весит самолет, тем быстрее он сможет преодолеть заданное расстояние. А это напрямую означает удешевление перевозок и снижение расхода дорогого топлива.
Традиционно большинство деталей в авиации изготавливают из металлов — алюминиевых, титановых, никелевых сплавов. Их свойства хорошо изучены, а технологии производства и ремонта давно отработаны. Однако у металлов есть ограничения: они тяжелые, а увеличение прочности почти всегда ведет к утяжелению конструкции.
Поэтому инженеры постоянно ищут альтернативы для самых ответственных и нагруженных деталей, например, двигателей. Так, сегодня все больше элементов начинают делать из полимерных композиционных материалов (углепластиков). Они прочные, жесткие, но при этом значительно легче металлов. Замена даже нескольких деталей композитными аналогами позволяет снизить массу двигателя на несколько килограммов, что напрямую сокращает расход топлива.
Однако перед тем как запустить изделие в производство, необходимо точно узнать, какую нагрузку оно выдержит, когда может сломаться и как долго прослужит. Для проверки прочности сегодня существуют стандартные методы, которые прописаны в ГОСТах и международных нормах. Чаще всего делают 15-20 небольших образцов из того же материала и начинают их нагружать на специальных стендах до тех пор, пока они не сломаются. Потом по результатам испытаний инженер делает вывод, какую нагрузку изделие может выдержать без разрушения.
Для металлов этот подход работает, поскольку свойства маленького образца и самой детали практически одинаковы. Но у композитов более сложная структура, поэтому их прочность зависит в том числе от геометрии изделия. Это значит, что элементы разного размера в одном двигателе будут обладать отличными свойствами, поэтому результаты испытаний одного маленького образца нельзя напрямую использовать при проектировании всей конструкции.
В итоге инженерам приходится испытывать реальные детали. Такая проверка может длиться несколько недель или месяцев — изделие неоднократно нагружают до разрушения, что требует сложного оборудования и делает оценку прочности крайне дорогостоящей.
Ученые Пермского Политеха разработали методику оценки прочности композиционных деталей газотурбинного двигателя с помощью инфракрасной термографии. В отличие от стандартных подходов, которые занимают от нескольких недель до месяцев, предложенный способ позволяет за несколько часов определить, сколько нагрузки выдержит деталь. Это поможет активнее внедрять композиты в авиадвигатели для снижения веса конструкции.
Инфракрасная термография работает следующим образом. Сначала инженер берет деталь и на специальном стенде создает разную нагрузку. Постепенно в материале начинают накапливаться микроскопические повреждения (трещины, расслоения), из-за чего его поверхность нагревается. В момент, когда нагрев резко увеличивается, инженер фиксирует предельную нагрузку при циклическом нагружении.
— Для испытаний мы взяли несколько деталей из углепластика, которые сейчас используют в конструкции авиационного двигателя. Их закрепили на стандартном вибростенде, который имитирует вибрации в полете. Далее образцы постепенно нагружали, одновременно отслеживая нагрев поверхности с помощью тепловизора — прибора, который бесконтактно измеряет температуру. В результате мы получили для каждой детали значение предельной нагрузки, которое можно использовать в дальнейших расчетах, чтобы спрогнозировать, сколько прослужит изделие в реальных условиях полета, — отметил Данил Соломонов, старший преподаватель кафедры «Авиационные двигатели» ПНИПУ.
Полученные показатели ученые сравнили с результатами стандартных испытаний на тех же типах деталей. Главное отличие в том, что раньше инженерам приходилось испытывать десятки образцов в течение недель или даже месяцев. При этом новый метод позволяет получить результат за несколько часов и без потери точности, что ускоряет процесс проектирования.
— Мы также создали практическую методику, где описано, какие образцы нужно брать, как их закреплять, в каком режиме нагружать и как снимать показания тепловизора. Инженеру достаточно взять деталь, провести испытание в течение нескольких часов, а затем обработать данные по готовому алгоритму. На выходе он получает характеристики усталостной прочности, которые можно сразу использовать в расчетах. Разработка уже внедрена на одном из ведущих предприятий авиационного двигателестроения для проектирования деталей, — дополнил Михаил Нихамкин, профессор кафедры «Авиационные двигатели» ПНИПУ, доктор технических наук.
В итоге инженеры получают готовый инструмент, который позволяет быстро и точно проверять прочность легких материалов прямо на производстве. Это ускоряет проектирование, снижает затраты и открывает путь к более широкому применению композитов в авиационной промышленности.
