cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2020-23-3-29-38caht-1701Research ArticleТРАНСПОРТTRANSPORTОпределение долговечности образцов, моделирующих продольные и поперечные стыки фюзеляжа самолета МС-21Determination of durability of samples modeling the MS-21 fuselage longitudinal and cross jointsХаринаВ. К.HarinaV. K.

Харина Вера Константиновна, кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики и инженерной графики

г. Москва

Vera K. Harina, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Technical Mechanics and Engineering Graphics Chair

Moscow

h.vera@bk.ruМосковский государственный технический университет гражданской авиацииРоссияMoscow State Technical University of Civil AviationRussian Federation2020030720202332938Copyright © Харина В.К., 20202020Харина В.К.Harina V.K.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/1701

Поддержание летной годности воздушных судов осуществляется рядом мероприятий, гарантирующих безопасную эксплуатацию. ЦАГИ, СибНИИА, ГосНИИГА и другие организации, обладающие высокоэффективной лабораторной базой, проводят испытания и исследования конструкций и элементов конструкций для установления или продления ресурса поэтапно. Испытания требуют возможности воссоздания сложных спектров нагружения и могут являться длительными и дорогостоящими. Одна из основных проблем, возникающих при испытаниях, оказывается их форсирование. Форсирование сокращает время испытаний при сохранении эквивалентности механизмов накопления усталостных повреждений и разрушения конструкции при реальном и модельном нагружении. Для каждого этапа на oснoве лабoратoрных испытаний, испытаний в прoцессе эксплуатации и прoгнозирования ожидаемых условий эксплуатации определяется величина ресурса и срок службы, гарантирующий безопасность полетов. Учитывая инфoрмацию о появлении дефектов, накапливаемых нa каждoм этапе, прoвoдятся допoлнительные испытания и разрабатываются тeхничеcкие мерoпpиятия, котopые определяют ресурс и сpoк службы авиакoнстpукции или элементов конструкции, выявляются недостатки пpoeктирования, изготовлeния, техничeского oбслуживания и peмонта. Одним из ключевых вопросов является механика разрушения, на которых основывается оценка живучести авиаконструкций. Механизм усталостного разрушения зависит от многих факторов: эксплуатационной нагрузки или ее модели; напряженного состояния, которое возникает во время испытаний; материала, из которого изготовлены элементы конструкции. Усталостное разрушение начинается с появления микротрещин в ослабленном месте элемента конструкции. При действии нагрузок, часто представляющих собой случайный процесс, развитие трещин идет достаточно интенсивно и приводит к разрушению конструкции. Для определения долговечности образцов, моделирующих продольные и поперечные стыки фюзеляжа самолета МС-21, были проведены теоретические расчеты и экспериментальные исследования, что дало возможность судить о соответствии полученных результатов по нагруженному отверстию.

Aircraft airworthiness maintenance is carried out by a number of measures guaranteeing safe operation. TsAGI, SibNIIA, GosNIIGA and other organizations with a highly-efficient laboratory base conduct tests and studies of structures and structural elements to determine or extend the operational life in stages. The tests require the capability to recreate complex loading spectra and they can be lengthy and expensive. One of the main problems encountered during testing is its forcing. Forcing reduces the test time while maintaining the equivalence of the fatigue damage and structural failure accumulation mechanisms under real and model loading. For every stage, the operational life limit and durability, guaranteeing flight safety, are determined on the basis of laboratory tests, operation tests and prediction of expected operating conditions. At every stage, information about the emerging defects is accumulated, additional tests are carried out and technical measures, determining the aircraft structure or structural elements operational life and durability, are developed, and design, manufacture, maintenance and repair deficiencies are identified. One of the key issues is the fracture mechanics, which the assessment of the aircraft structures survivability is based on. The fatigue failure mechanism depends on many factors: operational load or its model; stress condition that occurs during testing; the material, which the structural elements are made of. Fatigue failure begins with the microcracks in the structural element weakened area. Under the loads action, often being a random process, the cracks propagation is quite intense and it leads to the destruction of the structure. To determine the durability of the samples, modeling the MS-21 fuselage longitudinal and cross joints, theoretical calculations and experimental studies were carried out, and it allowed to judge about the compliance of the results obtained by the loaded hole.

поддержание летной годностипродление ресурсадолговечность элементов конструкцийусталостные разрушенияairworthiness maintenanceoperational life extensionstructural elements durabilityfatigue failureReferencesИцкович А.А., Файнбург И.А. Показатели эффективности процессов поддержания летной годности воздушных судов // Научный Вестник МГТУ ГА. 2012. № 178. С. 21–26.Itskovich, A.A. and Fainburg, I.A. (2012). Indicators of the efficiency of processes of maintenance of the aircrafts airworthiness. Nauchnyy vestnik MGTU GA, no. 178, pp. 21–26. (in Russian)Бутушин С.В., Семин А.В. Целостность элементов конструкции планера при длительной эксплуатации воздушных судов // Научный Вестник МГТУ ГА. 2009. № 141. С. 30–37.Butushin, S.V. and Semin, A.V. (2009). Integrity of elements of a glider at continued airworthiness. Nauchnyy vestnik MGTU GA, no. 141, pp. 30–37. (in Russian)Басов В.Н. Влияние длительной эксплуатации самолетов на прочностные характеристики материалов / В.Н. Басов, Г.И. Нестеренко, Б.Г. Нестеренко, В.Г. Петрусенко // Научный Вестник МГТУ ГА. 2009. № 141. С. 38–48.Basov, V.N., Nesterenko, G.I., Nesterenko, B.G. and Petrusenko, V.G. (2009). Material property degradation study during aircraft operation. Nauchnyy vestnik MGTU GA, no. 141, pp. 38–48. (in Russian)Арепьев А.Н., Громов М.С., Шапкин В.С. Вопросы эксплуатационной живучести авиаконструкций. М.: Воздушный транспорт, 2002. 424 с.Arepev, A.N., Gromov, M.S. and Shapkin, V.S. (2002). Problemy ekspluatatsionnoy zhivuchesti aviatsionnykh konstruktsiy [Issues with operational survivability of aircraft structures]. Moscow: Vozdushnyy transport, 424 p. (in Russian)Басов В.Н., Балашов В.В., Стойда Ю.М. и др. Испытание образцов фюзеляжа самолет МС 21-200. Отчёт НИО-18 ЦАГИ № 5815, 2011. 92 c.Basov, V.N., Balashov, V.V., Stoyda, Yu.M. and others. (2011). Ispytaniye obraztsov fyuzelyazha samolet MS 21-200 [Testing the fuselage samples of the aircraft MC 21-200]. Otchet NIO-18 TsAGI, no. 5815, 92 p. (in Russian)Семернин А.В., Стрижиус В.Е. Методы расчетов на усталость элементов с геометрическими концентраторами // Научный Вестник МГТУ ГА. 2009. № 141. С. 76–83.Semernin, A.V. and Strizius, V.E. (2009). Methods for fatigue life analysis of elements with geometrical concentrators. Nauchnyy vestnik MGTU GA, no. 141, pp. 76–83. (in Russian)Yang H. The effects of corrosive media on fatigue performance of structural aluminum alloys / H. Yang, Y. Wang, X. Wang, P. Pan, D. Jia // Metals. 2016. Vol. 6, iss. 7. Pp. 160. DOI: 10.3390/met6070160Yang, H., Wang, Y., Wang, X., Pan, P. and Jia, D. (2016). The effects of corrosive media on fatigue performance of structural aluminum alloys. Metals, vol. 6, issue 7, pp. 160. DOI: 10.3390/met6070160Goranson U.G. Damage tolerance theory and practice // Moscow Aeronautical University. 1997. September 8. Moscow, Russia.Goranson, U.G. (1997). Damage tolerance theory and practice. Moscow Aeronautical University, September 8, Moscow, Russia.Torres V.F.S., Voorwald H.J.C. An evaluation of shot peening, residual stress and stress relaxation on the fatigue life of AISI 4340 steel // International Journal of Fatigue. 2002. Vol. 24, iss. 8. Pp. 877–886. DOI: 10.1016/S0142-1123(01)00205-5Torres, V.F.S. and Voorwald, H.J.C. (2002). An evaluation of shot peening, residual stress and stress relaxation on the fatigue life of AISI 4340 steel. International Journal of Fatigue, vol. 24, issue 8, pp. 877–886. DOI: 10.1016/S0142-1123(01)00205-5Sharp P.K. Fatigue life recovery in aluminums alloy aircraft structure / P.K. Sharp, Q. Liu, S.A. Barter, P. Baburamani, G. Clark // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2002. Vol. 25, iss. 2. Pp. 99–110. DOI: 10.1046/j.1460-2695.2002.00481.xSharp, P.K., Liu, Q., Barter, S.A., Baburamani, P. and Clark, G. (2002). Fatigue life recovery in aluminums alloy aircraft structure. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, vol. 25, issue 2, pp. 99–110. DOI: 10.1046/j.1460-2695.2002.00481.xTeng T.-L., Chang P.-H. Effect of residual stress on fatigue crack initiation life for buttwelded joints // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 145, iss. 3. Pp. 325–335. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2003.07.012Teng, T.-L. and Chang, P.-H. (2004). Effect of residual stress on fatigue crack initiation life for butt-welded joints. Journal of Materials Processing Technology, vol. 145, issue 3, pp. 325–335. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2003.07.012Белов В.К. Повышение усталостной долговечности заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций технологическими методами: монография / В.К. Белов, Г.Ф. Рудзей, А.А. Калюта. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 179 с.Belov, V.K., Rudzey, G.F. and Kalyuta, A.A. (2006). Povysheniye ustalostnogo resursa zaklepok i svarnykh soyedineniy aviatsionnykh konstruktsiy tekhnologicheskimi metodami: Monografiya [Improving the fatigue life of rivets and welded joints of aircraft structures by technological methods: Monography]. Novosibirsk: Izdatelstvo NGTU, 179 p. (in Russian)Larignon C. Investigation of Kelvin probe force microscopy efficiency for the detection of hydrogen ingress by cathodic charging in an aluminium alloy // C. Larignon, J. Alexis, E. Andrieu, L. Lacroix, G. Odemer, C. Blanc // Scripta Materialia. 2013. Vol. 68, iss. 7. Pp. 479–482. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.11.026Larignon, C., Alexis, J., Andrieu, E., Lacroix, L., Odemer, G. and Blanc, C. (2013). Investigation of Kelvin probe force microscopy efficiency for the detection of hydrogen ingress by cathodic charging in an aluminum alloy. Scripta Materialia, vol. 68, issue 7, pp. 479–482. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.11.026Burns J.T., Larsen J.M., Gangloff R.P. Effect of initiation feature on microstructurescale fatigue crack propagation in Al-Zn-Mg-Cu // International Journal of Fatigue. 2012. Vol. 42. Pp. 104–121. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2011.08.001Burns, J.T., Larsen, J.M. and Gangloff, R.P. (2012). Effect of initiation feature on microstructurescale fatigue crack propagation in Al-Zn-Mg-Cu. International Journal of Fatigue, vol. 42, pp. 104–121. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2011.08.001Серенсен С.В., Когаев Б.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность: руководство и справочное пособие. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.Serensen, S.V., Kogaev, B.P. and Shneyderovich, R.M. (1975). Nesushchaya sposobnost i raschety detaley mashin na prochnost: rukovodstvo i spravochnoye posobiye [Bearing capacity and strength calculation of machine parts. Guide and reference book.]. 3rd ed. Moscow: Mashinostroyeniye, 488 p. (in Russian)Стрижиус В.Е. Некоторые аспекты теории и практики обеспечения усталостной прочности и ресурса конструкции современных самолетов транспортной категории // Научный Вестник МГТУ ГА. 2009. № 141. С. 66–75.Strizius, V.E. (2009). Some aspects of the theory and practice of fatigue durability maintenance for transport category modern aircraft structure. Nauchnyy vestnik MGTU GA, no. 141, pp. 66–75. (in Russian)Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин: учебник для вузов. 8-е изд., испр. М.: Высшая школа, 2003. 408 с.Ivanov, M.N. and Finogenov, V.A. (2003). Detali mashin. Uchebnik dlya VUZov [Machine parts: Textbook for Universities]. 8th ed., ispravlennoye. Moscow: Vysshaya shkola, 408 p. (in Russian)Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений: пер. с англ. И.А. Нечай, И.П. Сухарев, Б.Н. Ушаков. М.: МИР, 1977. 302 с.Peterson, R.E. (1974). Stress concentration factors. John Wiley & Sons, New York, 298 p.Семин М.И. Основы сопротивления материалов: учеб. пособие. М.: ВЛАДОС, 2004. 255 с.Semin, M.I. (2004). Osnovy soprotivleniya materialov [Fundamentals of the materials resistance]. Moscow: VLADOS, 255 p. (in Russian)Gayaram T.V. Effect of thermal exposure on the mechanical and wear properties of aerospace al alloys / T.V. Gayaram, J.J. Patel, H.O. Dabhi, V.D. Dhiman // Journal for Research. 2016. Vol. 02, iss. 01. Pp. 51–57.Gayaram, T.V., Patel, J.J., Dabhi, H.O. and Dhiman, V.D. (2016). Effect of thermal exposure on the mechanical and wear properties of aerospace al alloys. Journal for Research, vol. 02, issue 01, pp. 51–57.Chan K.S., Jones P., Wang Q. Fatigue crack growth and fracture paths in aluminum alloys // Materials Science and Engineering: A. 2003. Vol. 341, iss. 1-2. Pp. 18–34. DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00196-XChan, K.S., Jones, P. and Wang, Q. (2003). Fatigue crack growth and fracture paths in aluminum alloys. Materials science and Engineering: A, vol. 341, issue 1-2, pp. 18–34. DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00196-X

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