cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2018-21-3-125-138caht-1263Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеInformation technology, computer engineering and managementЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛЕЕВОГО РЕМОНТНОГО СОЕДИНЕНИЯNUMERICAL MODELLING OF THE AIRFRAME DAMAGE GROWTH FOR THE ADHESIVE REPAIR JOINT CALCULATIONФедотовА. А.FedotovA. A.

аспирант

Postgraduate Student

alexey.a.fedotov@inbox.ruЦипенкоА. В.TsipenkoA. V.

доктор технических наук, заведующий кафедрой

Doctor of Technical Sciences, Head of Chair

tsipenko_av@mail.ruЛебедевА. И.LebedevA. I.

инженер-проектировщик

Design Engineer

aleksey.lebedev.2011@bk.ruМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет), г. МоскваРоссияMoscow State Aviation InstituteRussian FederationHays Inc., Отдел промышленности и энергетики, г. МоскваРоссияHays Inc. RussiaRussian Federation201803072018213125138Copyright © Федотов А.А., Ципенко А.В., Лебедев А.И., 20182018Федотов А.А., Ципенко А.В., Лебедев А.И.Fedotov A.A., Tsipenko A.V., Lebedev A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1263

В условиях прогнозируемого роста объема пассажирских перевозок авиационным транспортом дополнительное внимание будет уделяться организации конкурентоспособного процесса технического обслуживания и ремонта гражданских воздушных судов. Внедрение новых технологических процессов ремонта конструкций планера самолета и применение современных информационных технологий на этапе проектирования процедур ремонта могут стать преимуществами на расширяющемся рынке услуг послепродажной поддержки воздушного флота гражданской авиации. Клеевой ремонт конструкций планера позволяет более полно использовать несущие способности конструкционных материалов, но применение технологии клеевых соединений требует более сложной процедуры прочностного расчета. Для проведения достоверных расчетов целесообразно применение современных программных пакетов конечно-элементного моделирования, возможности которых позволяют получать адекватные результаты вычислений параметров клеевого ремонтного соединения при действии циклической нагрузки. В данной статье сделан акцент на применении методов конечно-элементного моделирования развития трещины в изотропном материале и способах ускоренного вычисления отклика конструкции с трещиной на циклическое механическое воздействие. Моделирование развития трещины осуществляется при помощи методики XFEM, когда к созданной конечно-элементной аппроксимации добавляются асимптотическая функция имитации вершины трещины и функция разрыва, задающая зазор между поверхностями трещины. Моделирование усталостных свойств ремонтного соединения производится по методике прямого циклического нагружения, использующей разложение в ряд Фурье и интегрирование по времени функции нелинейного поведения материала. Результат интегрирования в каждой заданной точке истории нагружения используется в дальнейшем для прогнозирования усталостной деградации свойств материала на последующем шаге расчета и позволяет оценивать скорость развития повреждений в материале. По итогам анализа результатов расчета сделан вывод о соответствии данных численного моделирования данным натурных экспериментов и приводится оценка времени, затраченного на проведение расчета с применением методов ускоренного моделирования циклического нагружения.

In the context of the predicted growth in air transportation, the additional attention will be paid to the organization of the competitive maintenance and repair operations for the commercial airplanes. The implementation of new technological processes for airframe repairs and the application of modern information technologies during the development of the repair procedures can be a significant advantage in the expanding market of post-production support of the commercial air fleet. Airframe adhesive repairs allow using lifting abilities of the materials more intensively, but application of the adhesive joints technology requires more complicated strength calculation procedure. It is advisable to utilize the modern finite element software packages to perform the reliable calculation. The capabilities of these software packages allow obtaining adequate computational results for adhesive repair joint parameters subjected to cyclic loads. This paper is concentrated on application of the finite element methods to simulate the crack growth in isotropic material and on methods for accelerated calculation of the mechanical response of cracked structures. Crack growth simulation is performed based on XFEM methods where the created finite element model is complemented with asymptotic imitation function of crack tip and with discontinuous jump function across the crack surfaces. Fatigue properties of the repair joint are modelled in accordance with direct cyclic approach, where a Fourier series approximation with time integration of the nonlinear material behavior is applied. After that, the result of integration at each point of the load history is used for the prediction of the material fatigue properties degradation at the next step of computation; this allows us to evaluate the material damage growth rate. Based on calculation results, a conclusion was made that the received numerical data match the full-scale test results; the time spent for calculation with the usage of accelerated computational methods was evaluated.

 

конечно-элементная модельклеевой ремонтциклическое механическое нагружениеfinite element modeladhesive repaircyclic mechanical loadReferencesHarrison M. MRO Forecast and Market Trends // Proceeding of IATA 12th Maintenance Cost Conference. Bangkok, 14–15 Sept. 2016.Harrison, M. (2016). MRO Forecast and Market Trends. Proceeding of IATA 12th Maintenance Cost Conference. Bangkok, 14–15 Sept.Cooper T. Global Fleet & MRO Market Forecast Summary 2017–2027 [Электронный ресурс] / J. Smiley, C. Porter, C. Precourt. URL: http://www.oliverwyman.com/ourexpertise/insights/2017/feb/2017-2027-fleet-mro-forecast.html (дата обращения 09.02.2018).Cooper, T., Smiley, J., Porter, C. and Precourt, C. Global Fleet & MRO Market Forecast Summary 2017–2027. Available at: http://www.oliverwyman.com/ourexpertise/insights/2017/feb/2017-2027-fleet-mro-forecast.html (accessed 09.02.2018).Moores V. Views Diverge On Bonded Repairs To Primary Composite Structures. AWIN First, Oct 13, 2014 [Электронный ресурс]. URL: http://aviationweek.com/mro/views-divergebonded-repairs-primary-composite-structures (дата обращения 09.02.2018).Moores, V. (2014). Views Diverge On Bonded Repairs To Primary Composite Structures. AWIN First, Oct 13, 2014. Available at: http://aviationweek.com/mro/views-diverge-bonded-repairsprimary-composite-structures (accessed 09.02.2018).Артюхин Ю.П. Напряжения в клеевых соединениях // Исследования по теории пластин и оболочек. 1973. Вып. 8. С. 23–28.Artyukhin, Y.P. (1973). Napryazheniya v kleevykh soedineniyakh [Stresses in bonded joints]. Issledovanija po teorii plastin i obolochek [Researches on theory of plates and shells], iss. 8, pp. 23–28. (in Russian)Воробей В.В., Сироткин О.С. Соединения элементов конструкций из композиционных материалов. Л.: Машиностроение, 1985.Vorobei, V.V. and Sirotkin, O.S. (1985). Soedineniya elementov konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov [Joints of structural elements made of composite materials]. Leningrad: Mashinostroenie. (in Russian)Кутьинов В.Ф. Расчет клеевых соединений // Проектирование, расчет и испытания конструкций из композиционных материалов. Руководящие технические материалы. М.: ЦАГИ, 1979. Вып. 7. С. 14–31.Kut'inov, V.F. (1979). Raschet kleevykh soedineni. [Analysis of bonded joints]. Proektirovanie, raschet i ispytaniya konstruktsii iz kompozitsionnykh materilov. Rukovodyashchie tekhnicheskie materialy [Design, analysis and testing of the composite structures. Technical handbook]. Moscow: TsAGI, Iss. 7, pp. 14–31. (in Russian)Семин М.И. Проектирование клеевых соединений. М.: Машиностроение, 1982.Semin, M.I. (1982). Proektirovanie kleevykh soedinenii [Design of bonded joints]. Moscow: Mashinostroenie. (in Russian)Хватан А.М. Расчет клеевого соединения с учетом пластичности клея // Ученые записки ЦАГИ. 1979. Т. Х, № 4. С. 140–143.Khvatan, A.M. (1979). Raschet kleevogo soedineniya s uchetom plastichnosti kleya [Analysis of bonded joint with adhesive plasticity]. Uchenye zapiski TsAGI, vol. X, no. 4, pp. 140–143. (in Russian)Швечков Е.И., Кудряшов А.Б., Хватан А.М. Анализ напряженнодеформированного состояния клеевого соединения // Проблемы прочности. 1985. № 9. С. 88–92.Shvechkov, E.I., Kudryashov, A.B. and Khvatan, A.M. (1985). Analiz napryazhennodeformirovannogo sostoyaniya kleevogo soedineniya [Analysis of stress-strain condition of the bonded joint]. Problemy prochnosti, no. 9, pp. 88–92. (in Russian)Турусов Р.А. Адгезионная механика. М.: НИУ МГСУ, 2016. 228 с.Turusov, R.A. (2016). Adgezionnaya mekhanika [Adhesive mechanics]. Moscow: NRU MGSU, 228 p. (in Russian)Фрейдин А.С., Турусов Р.А. Свойства и расчет адгезионных соединений. М.: Химия, 1990.Freidin, A.S. and Turusov, R.A. (1990). Svoistva i raschet adgezionnykh soedinenii [Properties and analysis of adhesive joints]. Moscow: Khimiya. (in Russian)Турусов Р.А., Маневич Л.И. Метод контактного слоя в адгезионной механике // Клеи. Герметики. Технологии. 2009. № 6. С. 2–10.Turusov, R.A. and Manevich, L.I. (2010). Contact layer method in adhesive mechanics. Polymer Science. Series D, vol. 3, no. 1, pp. 1–9.Tomblin J.S. Bonded Repair of Aircraft Composite Sandwich Structures / L. Salah, J.M. Welch, M.D. Borgman. Report DOT/FAA/AR-03/74, 2004.Tomblin, J.S., Salah, L., Welch, J.M. and Borgman, M.D. (2004). Bonded Repair of Aircraft Composite Sandwich Structures. Report DOT/FAA/AR-03/74.Baker A.A., Rose L.R.F., Jones R. Advances in the Bonded Composite Repairs of Metallic Aircraft Structure. Elsevier Ltd, 2002.Baker, A.A., Rose, L.R.F. and Jones, R. (2002). Advances in the Bonded Composite Repairs of Metallic Aircraft Structure. Elsevier Ltd.Куликов В.В., Петрова А.П. Применение клеев при ремонте авиационной техники: обзор литературы // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2017. № 2. С. 21–27.Kulikov, V.V. and Petrova, A.P. (2017). Primenenie kleev pri remonte aviatsionnoi tekhniki. (Obzor literatury) [Application of the adhesives for aircraft repairs. (Literature survey)]. Remont. Vosstanovlenie. Modernizatsiya, no. 2, pp. 21–27. (in Russian)Петрова А.П., Куликов В.В. Клеевые материалы, используемые в ремонтновосстановительных работах // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2009. № 9. С. 5–14.Petrova, A.P. and Kulikov, V.V. (2009). Kleevye materialy, ispol'zuemye v remontnovosstanovitel'nykh rabotakh [Adhesive materials used for repair-and-renewal operations]. Remont. Vosstanovlenie. Modernizatsiya, no. 9, pp. 5–14. (in Russian)Петрова А.П., Куликов В.В. Свойства клеевых материалов, используемых в ремонтно-восстановительных работах // Клеи. Герметики. Технологии. 2008. № 8. С. 2–12.Petrova, A.P. and Kulikov, V.V. (2009). Properties of adhesive materials used in repairand-renewal operations. Polymer Science. Series D, vol. 2, no. 1, pp. 34–43.Виленц В.С. Особенности ремонта дефектов типа «отслоение-расслоение» на сотовых конструкциях из алюминиевых сплавов и композитных материалов в условиях эксплуатации // Клеи. Герметики. Технологии. 2008. № 11. С. 14–17.Vilents, V.S. (2009). Peculiarities of repairing delamination-lamination-type defects on honeycomb sandwiches made from aluminum alloys and composite materials under operating conditions. Polymer Science. Series D, vol. 2, no. 2, pp. 112–114.Жадова Н.С., Лукина Н.Ф., Тюменева Т.Ю. Самоклеящиеся материалы для временного оперативного ремонта внешней поверхности изделий авиационной техники // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №6. С. 2–4.Zhadova, N.S., Lukina, N.F. and Tyumeneva, T.Yu. (2012). Samokleyashchiesya materialy dlya vremennogo operativnogo remonta vneshnei poverkhnosti izdelii aviatsionnoi tekhniki [Selfadhesive materials for temporary operative repairs on the outer surface of aircraft structures]. Klei. Germetiki. Tekhnologii, no. 6, pp. 2–4. (in Russian)Куликов В.В. Подготовка поверхности алюминиевых сплавов при проведении ремонта авиационной техники с применением клеев / Т.Г. Павловская, А.П. Петрова, К.Е. Захаров // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2016. № 2. С. 14–17.Kulikov, V.V., Pavlovskaya, T.G., Petrova, A.P. and Zakharov, K.E. (2016). Podgotovka poverkhnosti alyuminievykh splavov pri provedenii remonta aviatsionnoi tekhniki s primeneniem kleev [Surface preparation of the aluminum alloys for aircraft bonded repairs]. Remont. Vosstanovlenie. Modernizatsiya, no. 2, pp. 14–17. (in Russian)Куликов В.В. Исследование процесса отверждения эпоксидного клея ВК-27 на поверхности фенольно-каучукового клеевого подслоя ВК-25 / В.М. Алексашин, Н.В. Антюфеева, А.П. Петрова, И.А. Шарова // Клеи. Герметики. Технологии. 2017. № 4. С. 2–5.Kulikov, V.V., Aleksashin, V.M., Antyufeeva, N.V., Petrova, A.P. and Sharova, I.A. (2017). Issledovanie protsessa otverzhdeniya epoksidnogo kleya VK-27 na poverkhnosti fenol'nokauchukovogo kleevogo podsloya VK-25 [Research of the curing process of epoxy adhesive VK-27 on the surface of phenolic-rubber adhesive sublayer of VK-25]. Klei. Germetiki. Tekhnologii, no. 4, pp. 2–5. (in Russian)Шарова И.А. Влияние подслоя фенольно-каучуковых клеев на свойства эпоксидного клея холодного отверждения ВК-27 и его модификаций при проведении ремонта авиационной техники / В.В. Куликов, А.П. Петрова, О.А. Шуклина // Клеи. Герметики. Технологии. 2016. № 10. С. 18–21.Sharova, I.A., Kulikov, V.V., Petrova, A.P. and Shuklina, O.A. (2016). Vliyanie podsloya fenol'no-kauchukovykh kleev na svoistva epoksidnogo kleya kholodnogo otverzhdeniya VK-27 i ego modifikatsii pri provedenii remonta aviatsionnoi tekhniki [Effect of phenolic-rubber adhesive sublayer on the properties of the low-temperature cure epoxy adhesive VK-27 and it’s modifications for aircraft repairs purposes]. Klei. Germetiki. Tekhnologii, no. 10, pp. 18–21. (in Russian)Нестеренко Б.Г. Трещинностойкость материалов обшивки конструкций гражданских самолетов // Научный вестник МГТУ ГА. 2010. № 153. С. 7–14.Nesterenko, B.G. (2010). Crack resistance of skin materials for civil airplane structures. Scientific Bulletin of the Moscow State Technical University of Civil Aviation, no. 153, pp. 7–14. (in Russian)Belytschko T., Black T. Elastic crack growth in finite elements with minimal remeshing // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1999. Vol. 45, No. 5. Pp. 601–620.Belytschko, T. and Black, T. (1999). Elastic crack growth in finite elements with minimal remeshing. International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 45, no. 5, pp. 601–620.Moës N., Dolbow J., Belytschko T. A finite element method for crack growth without remeshing // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1999. Vol. 46, No. 1. Pp. 132–150.Moës, N., Dolbow, J. and Belytschko, T. (1999). A finite element method for crack growth without remeshing. International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 46, no. 1, pp. 132–150.Sukumar N. Extended finite element method for three-dimensional crack modelling / N. Moës, B. Moran, T. Belytschko // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2000. Vol. 48, No. 11. Pp. 1549–1570.Sukumar, N., Moës, N., Moran, B. and Belytschko, T. (2000). Extended finite element method for three-dimensional crack modelling. International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 48, no. 11, pp. 1549–1570.Duong C.N., Wang C.H. On the characterization of fatigue crack growth in one-sided bonded repair // Journal of Engineering Materials and Technology. 2004. Vol. 136. Pp. 192–198.Duong, C.N. and Wang, C.H. (2004). On the characterization of fatigue crack growth in one-sided bonded repair. Journal of Engineering Materials and Technology, vol. 136, pp. 192–198.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.