Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Торпашев Вячеслав / Текст / 9. Технологический раздел.doc
Скачиваний:
356
Добавлен:
24.07.2017
Размер:
1.58 Mб
Скачать

9.2. Технологическая концепция проектируемого самолета

9.2.1. Применяемые материалы

Проблема выбора конструкционных материалов для проектируемого самолета всегда являлась сложной и многовариантной. От решения данной задачи зависят множество различных факторов, таких как: вес конструкции, прочность, ресурс и живучесть, освоенность технологии изготовления, наличие полуфабрикатов и т.д. и т.п. И это – только самые основные, без учета тонкостей производства.

В общем, к материалам, применяемым в конструкции самолета, предъявляются следующие требования:

  • высокая удельная прочность;

  • относительно низкая стоимость и возможность применения недорогих процессов обработки;

  • высокая прочность и стойкость при рабочих температурах;

  • хорошая обрабатываемость;

  • высокая коррозионная стойкость;

  • хорошая усталостная прочность.

Анализ конструкции самолетов-прототипов по поколениям показал, что самым основным конструкционным материалом для конструкций самолета являются алюминиевые сплавы. Развитие технологий позволило применить в самолетах четвертого поколения в значительных долях титановые сплавы и высоколегированные стали. Развитие науки и технологии в другом направлении позволило создать новый класс конструкционных материалов – композиционные материалы (КМ). Усовершенствование процессов изготовления конструкций из КМ объясняет все большее их применение в конструкции.

Так, рассмотренный мною в первом разделе в качестве одного из прототипов самолет ЕМ-10 Bielik, который, как и проектируемый самолет, является «чисто» учебно-тренировочным, полностью сделан из композиционных материалов за исключением задней части фюзеляжа, изготовленной из алюминиевых сплавов. Велика доля применения КМ в самолетах МиГ-АТ и Як-130.

Что же касается проектируемого самолета, то в качестве конструкционных материалов используются алюминиевые и титановые сплавы, стали и композиционные материалы. На проектируемом самолете доля применения КМ также велика. Панели крыла и фюзеляжа в основном изготовлены из КМ, за исключением задней части фюзеляжа в месте установки двигателя, где используются алюминиевые сплавы. Управляющие поверхности (элероны, рули направления и рули высоты) и механизация (закрылки) крыла также изготовлены из КМ. Продольные и поперечные силовые элементы самолета (шпангоуты, нервюры, лонжероны, стенки, балки, стрингера и т.п.) преимущественно изготовлены из алюминиевых сплавов. Особо нагруженные элементы (например, элементы шасси) и крепежные элементы (болты, гайки, винты и т.п.) изготовлены из сталей и титановых сплавов.

Рассмотрим кратко свойства применяемых материалов.

Алюминиевые сплавы

Данный материал обладает рядом положительных свойств, благодаря которым он нашел обширнейшее применение в конструкциях самолетов. Малая плотность сплава, относительно высокая прочность (в дальнейшем объединим эти две характеристики в одну – удельную прочность, позволяющую более корректно сочетать прочность материала с его весовой отдачей), высокая пластичность, коррозионная стойкость, достаточная усталостная прочность – все это позволяет изготавливать легкие и прочные конструкции разнообразными технологическими методами. Хорошая обрабатываемость данного материала позволяет снизить себестоимость детали, снижает износ инструмента и т.д. и т.п.

Температурный потолок алюминиевых сплавов ограничивает их применение в термически нагруженных местах. Также к минусам алюминиевых сплавов можно отнести плохую свариваемость.

Конструкционные стали

Ассортимент сталей очень велик, поэтому сложно дать обобщенную характеристику данному классу материалов. Рассмотрим высоколегированные стали. Эти стали также обладают рядом характеристик, которые позволяют использовать их в конструкции. По удельной прочности стали примерно равны алюминиевым сплавам, но пластичность ниже, что делает их менее стойкими к усталостным трещинам. Они хорошо варятся, но хуже обрабатываются. Хуже у сталей и коррозионные свойства. Добавление хрома для предотвращения коррозии снижает предел текучести.

Легированные стали типа 30ХГСА, 30ХГСНА имеют высокую прочность, хорошие усталостные характеристики, хорошо свариваются. Неплохо обрабатываются резанием. Применяются для сварных и клепанных высоконагруженных конструкций. Сталь 30ХГСЛ имеет хорошие литейные характеристики. Высокопрочные стали типа ВНС-2 хорошо штампуются и свариваются. Имеют высокую прочность, но невысокие усталостные характеристики, для их повышения применяется поверхностное упрочнение. Применяются для высоконагруженных обшивок и деталей каркаса.

Высоколегированные стали обычно применяются в высоконагруженных элементах конструкции, где сложно применить алюминиевые сплавы по причине больших нагрузок и малых объемов, высот или из - за высоких рабочих температур.

Титановые сплавы

Это очень "капризный" материал, который только в последнее время научились обрабатывать без потери прочностных и пластичных свойств. По удельной прочности он на треть превосходит алюминиевые сплавы. Хорошо варится, не корродирует. Пластичность, к сожалению, на много ниже чем у алюминиевых сплавов, что ведет к хрупкому разрушению. Возникают значительные сложности с обработкой полуфабрикатов.

Основные преимущества – высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, жаропрочность и жаростойкость. Хорошо свариваются АрДЭС и ЭЛС. Титановые сплавы выгодно использовать для изготовления крупных высоконагруженных штампованных деталей. Основной недостаток – плохая обрабатываемость резанием.

Композиционные материалы

Композиционный материал – это материал, состоящий из высокопрочных волокон, уложенных в определенном направлении (армирующие элементы), и матрицы, являющейся связующей для этих волокон. Армирующие элементы обеспечивают необходимые механические характеристики, а матрица обеспечивает совместную работу армирующих волокон.

В качестве наполнителей могут быть использованы волокна таких высокопрочных материалов, как углерод, бор, кремний, графит и др., в качестве связующего – синтетические смолы. Соотношения между объемами наполнителя и матрицы могут быть различными, так же как и расположение волокон. В соответствии с этим изменяются механические свойства КМ. Изотропности в КМ добиться очень трудно, почти невозможно, но это и не требуется, так как волокна располагают в направлении основных усилий.

Основные преимущества КМ следующие: более высокая, чем у металлов удельная прочность и жесткость; практически отсутствует ползучесть; нечувствительны к малым концентраторам напряжения; высокая стойкость к циклическим нагружениям; высокая вибропрочность; реализация специальных свойств, отсутствующих у металлов (например, радиопрозрачность).

К недостаткам КМ можно отнести: низкие механические характеристики при поперечном нагружении (сдвиге); хрупкое разрушение; большой разброс характеристик армирующего материала; сложность в организации стыковых зон конструкции; влагопоглощение; малый диапазон рабочих температур; необходимость введения молниезащиты; вредное производство; сложности обработки.

Итак, выше были рассмотрены свойства основных авиационных материалов, применяемых в конструкции проектируемого самолета. В таблице № 9.1 приведены их механические характеристики.

Таблица № 9.1

Марка, механические свойства

Применение

Технологические

свойства

Металлы

1

Сталь ЗОХГСА

в = 110 кг/мм2

 = 7,85 кг/мм3

Е = 21000 кг/мм2

Силовые крепежные элементы (кронштейны, фитинги), болты, гайки, детали шасси и др.

Хорошо деформируется в горячем состоянии, хорошо сваривается и обрабатывается резанием. ТО – закалка + отпуск.

2

Сталь ЗОХГСНА

в = 160-180 кг/мм2

 = 7,77 кг/мм3

Е = 21000 кг/мм2

Наиболее ответственные детали шасси, болты

Хорошо деформируется в горячем состоянии, хорошо сваривается дуговой электросваркой, удовлетворительно обрабатывается резанием, ТО – закалка + отпуск.

3

35ХГСЛ

в = 100 кг/мм2

 = 7,85 кг/мм3

Е = 21000 кг/мм2

Нагруженные детали шасси; подкосы

Хорошая свариваемость, высокие литейные свойства, ТО – закалка + отпуск.

4

Д16АТ

в= 42 кг/мм2

 = 2,8 кг/мм3

Е= 7200 кг/мм2

Листы, прутки, профили, продольный и поперечный набор (шпангоуты, стрингеры, нервюры, лонжероны, панели обшивки)

Хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии, хорошо обрабатывается резанием, сваривается ТЭС. ТО – закалка и исск. старение

5

Д19АТ

в= 40 кг/мм2

 = 2,8 кг/мм3

Е = 7200 кг/мм2

Прессованные профиля и панели

Хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии, хорошо обрабатывается резанием. ТО – закалка и исск. старение

6

В-95

в= 50-52 кг/мм2

 = 2,8 кг/мм3

Е= 7200 кг/мм2

Основные элементы каркаса в сжатой зоне, прессованные профили

Хорошо штампуется и обрабатывается. ТО – закалка и исск. старение. Низкие усталостные характеристики.

7

АК-6

в= 40 кг/мм2

 = 2,8 кг/мм3

Е= 7200 кг/мм2

Кронштейны, фитинги, качалки системы управления, детали сложной формы

Детали, изготовленные штамповкой.

8

ВТ-16

в= 100-120 кг/мм2

 = 4,85 кг/мм3

Е= 11000 кг/мм2

Крепежные элементы (болты, гайки и т.п.)

Хорошо сваривается, ТО – закалка и старение. Плохая обрабатываемость резанием.

9

ВТ22

в= 130 кг/мм2

 = 4,85 кг/мм3

Е= 11000 кг/мм2

Точные штамповки; монорельсы и тому подобные детали, элементы шасси

Хорошо штампуется

Продолжение таблицы № 9.1

Композиционные материалы

10

КМКУ

р= 90 кг/мм2

Ер= 12000 кг/мм2

сж= 102,5 кг/мм2

Ер= 11000 кг/мм2

Панели

11

КМКС

р= 75 кг/мм2

Ер= 3100 кг/мм2

сж= 72 кг/мм2

Ер= 2550 кг/мм2

Обтекатели, капоты

Другие материалы

Здесь хотелось бы рассмотреть следующие материалы.

АГ – композиционный материал, состоящий из связующего (фенолформальдегидной смолы) и наполнителя – радиопрозрачного стекловолокна марки ТС-8/3-П-78 :

σв изг= 25 кг/мм2,

σв сж= 10 кг/мм2,

σв раст = 50 кг/мм2,

Применяется для изготовления радиопрозрачных обтекателей и законцовок.

Ориентированное органическое стекло марки АО-120 применяется для изготовления прозрачной части фонаря кабины.

σв= 85 кг/см2, ρ= 1,2 г/cм3.

В конструкции проектируемого самолета широко используются различные герметики. Для герметизации баков применяются герметики типа У-30МЭС-5НТ (tраб= - 60 °С ... + 150 °С). Для герметизации элементов остекления применяется герметик типа ВИТЭФ-1 (tраб= - 60 °С ... + 150 °С).

Используются также различные лакокрасочные покрытия (эмали, грунтовки и т.п.).

Соседние файлы в папке Текст