Вертолетчикам (знающим) - вопрос.

Вот мы тут сидим с другом, и он утверждает, что несущая лопасть рассчитывается ниже предела усталости ("бесконечная" усталостная прочность).
Так ли это?

Насчет предела усталости (металлические детали, видимо) - это врядли. Для авиации звучит странновато. А вот что Safe Life - это наверняка. А по-честному - я не знаю.

А зачем делать "вечные" лопасти?
Нет конечно, они расчитываются на определенный ресурс (точнее не ниже этого ресурса).

Спасибо!
Сейчас на моем нике пишет мой друг - оппонент:

Здравтвуйте, Тимофей.
Мое имя Станислав. Я поспорил с Николаем (Anika) насчет усталостной прочности несущего ротора вертолета. Не являясь сам профессиональным "авиационщиком", часто имею длительные беседы с вышеназванным товарищем на всевозможные авиационные темы. Более того, большей частью всей "авиационной" информации я обяза ему. Однако, спор наш имеет в качестве приза бутылку хорошего коньяка, поэтому я не намерен сдаваться просто так. Большая просьба, если есть возможность получить достоверные данные по этому вопросу, буду Вам очень благодарен.

С уважением
Станислав.

Станислав, Николай, давайте я попробую ответить. Если излишне не запутаю.
 Согласно методикам, которые преподаются в МАИ, ресурс лопасти вообще никак не считается. Т.е. рассказываемый там расчет - обычный статический расчет для различных вариантов нагружения. Какое значение принимается за предельно допустимые напряжения - сходу не скажу. Надо будет обновить в памяти, но на предел усталостной прочности как-то не очень было похоже.
Но это методика, которая только дает возможность студентам поверхностно ознакомиться с процессом. О том, "куда берется ресурс?", они не успевают задуматься. Расчет сам по себе, ресурсы лопастей сами по себе.
 "Во взрослых" КБ можно было бы сказать что "изворачиваться, так по-взрослому".
Разработкой материалов у нас занимается ВИАМ. От него же поступает информация о их свойствах и совместимости с другими материалами. Усталостные исследования как чистых материалов, так и их различных комбинаций проводятся в Отделе динамических испытаний ЦАГИ. На основе данных ВИАМа и ЦАГИ уже можно предполагать какие материалы (обычно стекловолокно и углеволокно) и в какой комбинации использовать для получения желаемого ресурса. У КБ также имеется собственная статистика по разработанным ранее конструкциям. Отличия обусловлены тем, что в ЦАГИ испытывают "идеальные образцы" (изготовленные в эталонных условиях) без привязки к конструкции. На серийных заводах технология более грубая. Также в саму конструкцию могут вноситься изменения. Например, для увеличения жесткости лопасти на кручение может потребоваться укладка дополнительных слоев под 45°, и т.д. Все такие измения ведут к отступлению от "эталонов" и в обязательном порядке согласовываются.
Сам расчет (ключевая для вас вещь) представляет собой опять же статический расчет. Своего рода углубленный вариант методики преподаваемой в МАИ. Т.е. абсолютно такая же "беда": расчет без привязки через напряжения к ресурсу. Понятие ресурса закладывается не в расчете, а в используемой комбинации материалов.
Ресурс лопасти определяется только на уже готовой конструкции. Усталостные испытания проводят как отдельных участков (типовые отсеки, комель), так и всей лопасти. Трясут в двух плоскостях при имитации действия центробежной силы. Иногда испытания проводят при действии повышенных нагрузок, просто чтобы сократить время испытаний (согласно кривой усталостной прочности). Если лопасть выдерживает положенное количество часов без признаков разрушения, то на этом и успокаиваются. Люботытство "А столько она еще простоит?" часто оставляют неудовлетворенным.
Например, для лопасти Ка-32 ресурс составляет 3000 летных часов или 12 лет хранения. (ограничение по хранению связано с тем, что пластик теряет свои свойства со временем, впитывает воду) Это совершенно не значит, что на 3001-м часу лопасть отвалится. Она может прослужить еще, но "Не положено. КБ не гарантирует безопасность работы агрегата."

>Сам расчет (ключевая для вас вещь) представляет собой опять же статический расчет. Своего рода углубленный вариант методики преподаваемой в МАИ. Т.е. абсолютно такая же "беда": расчет без привязки через напряжения к ресурсу. Понятие ресурса закладывается не в расчете, а в используемой комбинации материалов.

ИМХО наверно таки при расчете пределы прочности и текучести соответствующим образом уменьшаются относительно полученных на испытаниях непосредственно материала. т.е. лопасть расчитываетя не на пределе прочности, а с запасом. Из него и берут ресурс. Или не так?

Timofey, 22.12.2003 13:36:03:

Иногда испытания проводят при действии повышенных нагрузок, просто чтобы сократить время испытаний (согласно кривой усталостной прочности). Если лопасть выдерживает положенное количество часов без признаков разрушения, то на этом и успокаиваются.

 

Ага!
Кривая усталостной прочности, стало быть, учитывается. А она-то (кривая) явно не с потолка взялась. То есть, "сколько она еще простоит", можно более-менее экстраполировать. И стало быть, ресурс вполне конечен.
Спасибо!
Николай

Anika, 22.12.2003 19:32:20:

Timofey, 22.12.2003 13:36:03 :

Иногда испытания проводят при действии повышенных нагрузок, просто чтобы сократить время испытаний (согласно кривой усталостной прочности). Если лопасть выдерживает положенное количество часов без признаков разрушения, то на этом и успокаиваются.

 

Ага!
Кривая усталостной прочности, стало быть, учитывается. А она-то (кривая) явно не с потолка взялась. То есть, "сколько она еще простоит", можно более-менее экстраполировать. И стало быть, ресурс вполне конечен.

 

Аника,

Нельзя вступать в спор о предмете, которого не знаешь (это в порядке побурчать...)

Спросил бы вас о процедуре "экстраполяции", да, ладно, замнем.

На самом деле из достаточно подробного описания Тимофея следует, что:
1. Расчет на усталость лопастей самолетов в России не проводят.
2. Отсутствие проблем с усталостью проверяется испытаниями, которые часто (или почти всегда) заканчиваются без разрушения образцов.

Т.е. ситуация аналогична самолетам. Считается, что правильно спроектированный (на статику) самолет будет иметь правильно заданный ресурс.

Так что по сути спора ситуация больше (а для стеклопластиковых деталей - практически полностью) соответствует условиям бесконечной долговечности, т.е. напряжениям ниже предела усталости.

А по поводу кривой усталости (не усталостной прочности): она используется для выбора нагрузки в испытаниях. К усталостной прочности детали это не имеет прямого отношения.

MIKLE, 22.12.2003 15:43:41:

ИМХО наверно таки при расчете пределы прочности и текучести соответствующим образом уменьшаются относительно полученных на испытаниях непосредственно материала. т.е. лопасть расчитываетя не на пределе прочности, а с запасом. Из него и берут ресурс. Или не так?

 

MIKLE

В авиации коэффициент запаса (безопасности) вводят по отношению к внешним нагрузкам, а не к свойствам материалов.

Статическая прочность самолета и его усталостная долговечность (ресурс) между собой совершенно (ну, никак) не связаны.

Но вы правы по физике явления: ресурс "берут" из разницы (запаса) между пределом текучести материала и рабочими напряжениями.

MIKLE> лопасть расчитываетя не на пределе прочности, а с запасом. Из него и берут ресурс. Или не так?
Mikle, как уже ответил victorzv, запас прочности (бывает в расчет вводят еще и коэффициент безопасности) больше относится к тому какие нагрузки выдержит деталь, а не сколько она их выдержит. Это запас можно в какой-то мере назвать "коэффициентом незнания". Ведь заранее неизвестно какие именно нагрузки будут действовать. По той же лопасти вертолета: кто-то будет летать в спокойной манере, а другой аналогичной машине достанется судьба, когда ее будет гонять нещадно на режимах, которые конструктору лучше и не показывать.
В это же "незнание" входит и разброс характеристик готовых агрегатов. Сериный завод не может обеспечить 100% соответствие выпускаемых лопастей одной эталонной. Ведь он не клонированием занимается. Что-то получается лучше, что-то чуть хуже - разные партии связующего, разные поставки ткани или волокна.
Но Вы правильно заметили, что все идущее сверх, "спроектированное прозапас", снижает действующие напряжения. Это благоприятно сказывается на сроке службы. В тоже время, сам ресурс лопасти определяется с запасом. Лопасть не только может выдержать большие нагрузки, но на самом-то деле может и прослужить дольше. Да, это лишний вес, лишняя стоимость, но, чтобы спалось спокойнее, лучше не рисковать.

Anika> Кривая усталостной прочности, стало быть, учитывается. А она-то (кривая) явно не с потолка взялась. То есть, "сколько она еще простоит", можно более-менее экстраполировать. И стало быть, ресурс вполне конечен.
 Николай, подождите. Ресурс конечен хотябы из "конечности" материала. Лопасть для Ка-32 может ниразу не летать, но пролежав 12 лет, она превратится в потенциальный шлакбаум, ограждение... еще говорят с них удочки хорошие получаются... Т.е. куда угодно, но для полетов она больше негодна.
 Если уж совсем строго подходить к вашему спору, то расчет имеет довольно косвенное отношение к определению ресурса лопастей. Кривая усталости определяется в основном из статистики и данных ЦАГИ. Испытаниям подвергаются как отдельные участки лопасти, вырезанные образцы, так и лопасть вцелом. Испытания проходят и при серийном производстве: на образцы идет технологитеский припуск лонжеронов (так называемаемые образцы-свиделели), также каждая n-ная лопасть целиком уходит на исследования. Т.е. статистическая база "как сделано" и "что с этим способно сделать серийное производство" довольно богата.

ab> А нельзя ли поподробнее про воду, или про где про эти проблемы поглядеть можно?
К сожалению я несколько знаком только с одной технологией изготовления лопастей. А именно: методом укладки. Из существующих остается намотка и новая технология (вроде пока для самолетных винтов), когда лопасти ткут на центральном теле и пропитывают под давлением.
Так что тут уже могу здорово наврать.
Сведения по всем проблемам эксплуатации винтов методично собираются и хранятся в отделах КБ. Работ посвященных вопросам "намокания лопасти" мне вроде как не вспоминается. Устно слышал, что есть отдельные проблемы или "непонятности", которые решаются КБ обычно усовершенствованием технологии.
Пластик имеет как одну из характеристик - пористость. Т.е. он не только вбирает в себя воду (немного, но имеет место), но и пропускает ее дальше - во внутренние полости. Так, был случай, когда в хвостовых секциях лопасти была обнаружена вода. Загадочность состояла в том, что эти секции классически представляют собой соты вертикально вкленные между верхней и нижней панелью, т.е. конструкция герметична. Причиной оказалось то, что при изготовлении секций они находились в положении "как стоят на лопасти" (т.е. верхняя панель вверху). Как следствие, клей с верхней панели стекал по сотам. Нижняя панель, клей с которой никуда не девался, показывала свою полную водостойкость. Неприятность воды в хвостовых секциях - прежде всего нарушение центровки лопасти.
С водой в лонжероне проще. Согласно современным требованиям (АП-29, FAR-29) по сертификации должна быть предусмотрена система дренажа. Значительная центробежная сила помогает просушить лопасть.
Об ограничениях по влажности пластика я не слышал. Излишняя влага в материале сказывается в виде увеличения веса лопасти. Хорошо, когда лопасти на одном винте равномерно утяжеляются.

В лопастях с металическим лонжероном ситуация решается проще. В качестве контроля за появлением трещин применяется извыточное давление в лонжероне и сигнализатор-сильфон (при падении давления он разжимается). Т.е. лонжерон полностью герметичен.

Добавлю, пожалуй, по поводу бесконечной долговечности лопастей.

ИМХО, критическим условием для них будет жесткость, а не прочность. Поэтому мяса там достаточно, чтобы рабочие напряжения оказались низкими, может и меньше предела усталости (скажем, для 10 млн. циклов).

Что думает по этому поводу Тимофей?