4.О коэффициенте безопасности конструкций из композиционных материалов

Проектирование и определение эффективности конструкций из КМ выдвигает задачу определения характеристик разброса ее прочностных свойств, требует внимательного изучения их стабильности, а также влияние эксплуатации на эти свойства с целью определения необходимого коэффициента безопасности (  ) при расчёте на прочность.

Для получения достоверных оценок характеристик распределения механических свойств КМ необходимо проводить статистический анализ в соответствии с . Методы, рассмотренные в указанной литературе, обеспечивают, при минимальных затратах, надёжное определение средних значений характеристик механических свойств и их дисперсий с требуемой точностью, а также экспериментальное обоснование функций распределения и оценки их параметров. Рассматриваются вопросы планирования исследований механических свойств материалов и элементов конструкций. Цель методов планирования и статистического анализа результатов механических испытаний – обеспечение, при минимальных объемах испытаний и материальных затрат, надежного, достоверного определения значений механических свойств, а также экспериментального обоснования выбора режимов технологического процесса изготовления конструкций из КМ и организации статистического контроля технологических процессов по механическим свойствам. Дана методика статистической обработки по определению количества образцов, обеспечивающего достоверную информацию о величине степени отклонения среднего значения с заданной относительной ошибкой и попадания её в доверительный интервал с заданной вероятностью. Таким образом, проведя статистическую обработку результатов испытаний образцов, можно получить значение коэффициента вариации, по которому определяется коэффициент безопасности.

Такой подход обусловлен следующими причинами :

1.Свойства конструкций из КМ в значительной степени зависят от технологии их изготовления ;

2.Опыт изготовления и эксплуатации конструкций из КМ ещё недостаточен ;

3.Недостаточно изучено влияние эксплуатационных условий на изменение свойств материалов в процессе их эксплуатации.

Эти трудности могут быть преодолены в отношении повышения надёжности путём введения строгого контроля качества изделий из КМ и сырья для их изготовления. Для оценки качества материала и технологического процесса изготовления необходимо изготавливать образцы – свидетели, которые подвергаются испытаниям. По результатам испытаний ограниченного числа образцов вводится поправка в соответствии с . Истинное значение коэффициента вариации определяется по формуле : ϑ  ϑ_n  , где ϑ_n – коэффициент вариации при испытании n штук образцов определяется в соответствии с , а Ƞ – поправочный коэффициент.

Коэффициент вариации характеризует разброс характеристик прочности конструкции. При нормальном логарифмическом законе распределения характеристик  , где S – средне –квадратичное отклонение, S  – дисперсия,  , где – характеристика го образца ; n – число испытанных образцов , – cреднее значение какой – либо характеристики ( σ, Е, и т. д.)

Зависимость поправочного коэффициента ( Ƞ ) от количества испытанных образцов ( n ),

n	3	4	5	6	8	10	15	30
Ƞ	1,5	1,43	1,38	1,33	1,26	1,21	1,12	1,00

Сравнивая Ƞ  ɬ ( n ) и АП – 25 ( см. ниже ), можно видеть, что они равны .

В представлены значения коэффициента безопасности (  ) в зависимости от числа образцов ( n ) и коэффициента вариации ( ϑ ).

Изменение коэффициента безопасности (  ) в зависимости от числа испытанных ( n ) образцов и коэффициента вариации ( ϑ ) ,

n ϑ	5	10	30
0,08	1,849	1,467	1,325
0,10	2,348	1,661	1,442
0,12	3,215	1,915	1,581

Вопросам определения коэффициента безопасности (  ) для конструкций из КМ посвящены работы . Стабильность прочностных характеристик или рассеивание характеризуется коэффициентом вариации ϑ. Для конструкционных металлических материалов и изделий из них принято, что ϑ 7-8%, а коэффициент безопасности 1,5 при вероятности разрушения  0,0005. Такой же уровень вероятности разрушения должен быть и для изделий, изготовленных из композиционных материалов. В показана, принятая в США , зависимость коэффициента безопасности (  ) от числа испытанных образцов ( n ) и от коэффициента вариации ( ϑ ).

Изменение коэффициента безопасности (  ) в зависимости от числа испытанных ( n ) образцов и коэффициента вариации ( ϑ ),

n ϑ	5	10	30
0,08	1,850	1,470	1,300
0,10	2,700	1,650	1,400
0,12	3,500	1,800	1,600

Сравнивая данные и , можно видеть ,что они практически одинаковы.

Основной вывод – необходимо испытывать большое количество образцов ( при сертификации испытывают по 30 элементарных образцов, об этом сказано ниже ).

Создавать авиационные конструкции из композиционных материалов необходимо в соответствии с требованиями документа – Авиационные правила. Часть 25. Нормы лётной годности самолётов транспортной категории ( АП – 25 ), 1994г. Раздел D – проектирование и конструкция. Пункт 25.622 – Коэффициенты безопасности для конструкций из композиционных материалов, стр. 101. Ниже приводится содержание данного пункта:

Для силовых частей, узлов, деталей и элементов конструкции самолёта, выполненных из композиционных материалов, вводится дополнительный коэффициент безопасности ( ).

Если 100% конструкций из композиционных материалов пооперационно и после окончательной сборки подвергаются визуальному, акустическому и ультразвуковому контролю, величина дополнительного коэффициента безопасности ( ) определяется в зависимости от разброса несущих свойств даны конструкций ( ϑ_п ), т.е. для композиционных материалов коэффициент безопасности  1,5  .

	0,08	0,10	0,15	0,20	0,25
	1,0	1,03	1,25	1,57	1,97

Примечание. Для промежуточных значений ϑ_п применяется линейная интерполяция между соседними значениями.

Коэффициент вариации ( ϑ_п ), характеризующий разброс несущих свойств конструкций из композиционных материалов, определяется по результатам статических испытаний ряда одинаковых конструкций рассматриваемого типа или конструкций аналогичных рассматриваемой, изготовленных по той же технологии и имеющих одинаковую с рассматриваемой конструкцией форму разрушения. При наличии ограниченного количества испытаний коэффициент вариации ( ϑ_п ) получается путём умножения выборочного , полученного статистической обработкой результатов испытаний, на коэффициент Ƞ , определяемый в зависимости от количества испытанных конструкций ( n ) .

n	3		4		5		6		8			10	15		20		30
Ƞ		1,5		1,44		1,37		1,33		1,26	1,22			1,14		1,1		1,0

Для всей, представленной выше информации, определяющими являются требования АП- 25.

Основными направлениями для повышения стабильности механических характеристик изделий являются методы автоматической намотки ( данным методом изготавливаются лонжероны лопастей вертолётов ) и выкладки ( для самолёта Boeing 787 фюзеляж изготавливается методом автоматической выкладки несколькими головками одновременно ), метод протяжки профилей или фрагментов конструкций через фильеры – метод пултрузии ( данным методом изготавливаются стеклопластиковые стержни для полимерных изоляторов и профиля для создания мостов ), т. е. технологические процессы, исключающие субъективные факторы, отрицательно влияющие на стабильность характеристик.