Разработка методов и экспериментальное исследование конструкционной прочности углепластиков для рабочей лопатки вентилятора перспективного газотурбинного двигателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Пальчиков Денис Сергеевич

• Пальчиков Денис Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Пальчиков Денис Сергеевич

Основные сокращения и обозначения

Введение

1. Механические характеристики ПКМ для рабочих лопаток (РЛ) вентилятора

1.1. Расчетные характеристики КМ РЛ в рамках модели однородного анизотропного тела

1.1.1 Характеристики упругости

1.1.2 Характеристики прочности

1.1.3 Особенности применения механических характеристик для расчетов

1.2. Механические характеристики ПКМ для лопатки двигателя 0Е-90

1.2.1. Механические характеристики волокон для ПКМ лопатки 0Е-90

1.2.2. Механические характеристики ПКМ для лопатки 0Е-90

Выводы к главе

2. Методы и средства для экспериментального определения механических характеристик ПКМ

2.1 Испытательное оборудование и средства измерений для испытаний ПКМ

2.2 Неразрушающий контроль ПКМ

2.2.1 Лазерно-ультразвуковая дефектоскопия (ЛУЗ)

2.2.2 ИК-термография

2.2.3 Рентгеновская томография

2.3 Методы экспериментального определения механических характеристик ПКМ

2.3.1. Методы испытаний на растяжение

2.3.2. Методы испытаний на сжатие

2.3.3. Методы испытаний на изгиб

2.3.4. Методы испытаний на сдвиг

2.3.5 Методы испытаний ПКМ на трещиностойкость

2.3.6 Методы испытаний для оценки ударостойкости ПКМ

Выводы к главе

3. Экспериментальные исследования ПКМ в обеспечение создания РЛВ

3.1 Испытания ПКМ на растяжение

3.1.1 Исследование характеристик ПКМ для РЛВ при растяжении

3.1.2 Определение коэффициентов Пуассона ^13, V2з) ПКМ для РЛВ

3.2 Испытания ПКМ на растяжение в направлении, перпендикулярном плоскости армирования

3.3 Испытания ПКМ на сдвиг в плоскости слоя

3.3.1 Исследования характеристик ПКМ для РЛВ при сдвиге в плоскости слоя

3.3.2 Подтверждение механических характеристик ПКМ для РЛВ при сдвиге в плоскости слоя с применением Б1С

3.4 Испытания ПКМ на межслоевой сдвиг методом четырехточечного несимметричного изгиба

3.5 Экспериментальное определение характеристик прочности ПКМ с ударным повреждением

3.6 Трещиностойкость

3.6.1 Определение трещиностойкости Сю

3.6.2 Определение трещиностойкости Спе

3.6.3 Определение трещиностойкости при смешанном типе нагружении (мода 1+11) и нагружении по моде III

Выводы к главе

4. Механические характеристики ПКМ в изделии

4.1 Образцы-свидетели, вырезанные из полноразмерной РЛВ

4.1.1 Образцы-свидетели для определения механических характеристик

4.1.2 Образцы-свидетели хвостовика РЛВ

4.2 Результаты испытаний образцов, вырезанных из РЛ

4.2.1 Механические характеристики образцов-свидетелей

4.2.2 Испытания образцов-свидетелей хвостовика сжатием и растяжением

4.3 «Двухзамковый» КПЭ хвостовика РЛВ

Выводы к главе

Заключение

Список литературы

Основные сокращения и обозначения

АД- авиационный двигатель

ВС - воздушное судно

ГТД - газотурбинный двигатель

ГОСТ - государственный стандарт

ИК - инфракрасный

ИЛ - испытательная лаборатория

ИЛ КПКМД АД ВС - испытательная лаборатория конструкционной прочности композиционных материалов и деталей авиационных двигателей и воздушного судна

КМ - композиционный материал

КПЭ - конструктивно-подобный элемент

МКЭ - метод конечных элементов

НДС - напряженно-деформированное состояние

НК - неразрушающий контроль

ЛУЗ - лазерно-ультразвуковой

ПКМ - полимерный композиционный материал

РЛ - рабочая лопатка

РЛВ - рабочая лопатка вентилятора

СИ - средство измерения

ТРДД - турбореактивный двухконтурный двигатель УЗ - ультразвуковой

ФМХ - физико-механические характеристики

ЦИАМ - Центральный Институт Авиационного Моторостроения

ASTM - американское общество испытаний и материалов (American Society for Testing and Materials) BVID - едва видимое ударное повреждение (barely visible impact damage) СAI - сжатие после удара (compression after impact) CV - коэффициент вариации

DCB - метод испытаний на трещиностойкость, мода I (double cantilever beam, mode I) DIC - корреляция цифровых изображений (Digital Image Correlation)

EASA - европейское агентство по авиационной безопасности (European Aviation Safety Agency)

ECT - метод испытаний на трещиностойкость кручением пластины с трещиной, мода III (edge crack torsion, mode III)

ENF - метод испытаний на трещиностойкость, мода II (End Notched Fixture, mode II)

FAA - Федеральное управление гражданской авиации (Federal Aviation Administration)

LL - максимальная расчетная эксплуатационная нагрузка (Limit Load)

OHT - прочность при растяжении образца с отверстием (Open-hole tensile)

OHC - прочность при сжатии образца с отверстием (Open-hole compression)

QSI - квазистатическое продавливание (Quasi-static indention)

RTM - транспортировка смолы в оснастку (resin transfer moulding)

SHAI - сдвиг после удара (Shear after impact)

TAI - растяжение после удара (Tension after impact)

Toughness - вязкий (с повышенной трещиностойкостью)

UL - предельно допустимая расчетная нагрузка (Ultimate Load)

VID - видимое ударное повреждение (visible impact damage)

Обозначения

1, 2, 3 - оси упругой симметрии ПКМ;

x, y, z - произвольные ортогональные координатные оси;

Ei, Е2, Е3 - модули упругости в направлениях упругой симметрии [ГПа];

P - нагрузка [Н];

L - расстояние между опорами [мм];

G13, G23, G12 - модули сдвига слоистого материала [МПа];

V(j - коэффициент Пуассона, определяющий поперечную деформацию в направлении j при нагружении в направлении i;

aij (i, j=1, 2, 3) - компоненты тензоров напряжений [МПа]; т13, т23, т12 - напряжения сдвига слоистого материала [МПа]; £1, £2, £3 - деформации в направлениях упругой симметрии [мм/мм]; V13, У23, У12 - деформация сдвига слоистого материала [мм/мм]; 5 - прогиб [мм];

aCAI - прочность при сжатии после удара [МПа];

o-jf1 - прочность при сжатии ПКМ с i-й категорией повреждений [МПа];

- скорость высвобождения упругой энергии деформаций при нормальном отрыве (тип I); С//с - скорость высвобождения упругой энергии деформаций при продольном сдвиге (тип II); Ст1х (/+//)- скорость высвобождения упругой энергии деформаций при смешанном нагружении

а+п);

С///с - скорость высвобождения упругой энергии деформаций при поперечном сдвиге (тип III)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и экспериментальное исследование конструкционной прочности углепластиков для рабочей лопатки вентилятора перспективного газотурбинного двигателя»

Введение

Актуальность работы. Необходимость повышения эффективности газотурбинных двигателей (ГТД) привела к разработке и использованию турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) большой степени двухконтурности, отличающихся большими габаритами вентиляторов. Отмеченная тенденция развития ТРДД большой степени двухконтурности, наряду с решением традиционных задач, приводит к появлению дополнительных проблем, связанных с массой и стоимостью изделия. Решение этих актуальных задач двигателестроительные фирмы мира видят в применении полимерных композиционных материалов (ПКМ) при создании широкохорд-ных бесполочных рабочих лопаток (РЛ), бронезащитного корпуса и других деталей вентиляторов перспективных ТРДД.

Применение ПКМ (углепластика) для изготовления рабочих лопаток вентиляторов позволяет:

- Снизить массу двигателя за счет уменьшения массы как РЛ, так и корпуса вентилятора;

- Улучшить эксплуатационные характеристики РЛ (усталостную долговечность, коррозионную стойкость и др.).

- Повысить долговечность и надежность смежных деталей и узлов (диск, вал) двигателя за счет снижения нагрузок от РЛ из ПКМ;

- Уменьшить стоимость изготовления вентилятора;

- Снизить уровень шума.

Также при сертификации ряда зарубежных двигателей было показано, что можно обеспечить крайне малую вероятность обрыва углепластиковой РЛВ. Это обуславливает рассмотрение углепластиковой РЛВ для двигателей с открытым ротором вентилятора, в которых отсутствует корпус вентилятора, обеспечивающий локализацию фрагментов РЛВ при ее разрушении.

Работы по применению полимерных композиционных материалов (ПКМ) в авиационных двигателях начались в 60-х годах прошлого столетия. Тогда для двигателя Rolls Royse (RR) RB211-06 были изготовлены лопатки вентилятора из углепластика марки Hifil. Данная попытка внедрения не увенчалась успехом. Несмотря на неудачный опыт RR, компания General Electric (GE) продолжала развивать исследования в этой области, вследствии чего был успешно испытан двигатель GE36 (1986 г.), имеющий вентилятор открытого типа с лопатками из углепластика (открытый ротор). Данный двигатель обладал высокой топливной эффективностью (повышение на 30% относительно существующих на то время двигателей), при этом имея высокий уровень шума. В связи с доступной стоимостью топлива в тот период времени и повышенными шумовыми характеристиками, данный двигатель оказался невостребованным.

Как удачные, так и неудачные результаты этих работ заметно обогатили опыт обращения с ПКМ. Позднее накопленный опыт позволил компании GE впервые в 1995 г. начать эксплуатацию газотурбинного двигателя (ГТД) GE-90 с рабочими лопатками вентилятора (РЛВ), выполненными из углепластика по препреговой технологии.

Удачный опыт эксплуатации двигателя GE-90 (наработка более 30 млн. часов) способствовал внедрению изготовленных из ПКМ по препреговой технологии РЛВ и в последующие модели двигателей (GeNx, Ge9x). Вслед за GE активизировали работы в этом направлении все ведущие двигателестроительные компании, каждая из которых вносит свою лепту в развитие как самих ПКМ, так и способов их применения в двигателях. Так, для двигателя LEAP-X компания Snecma совместно с General Electric разработала рабочую лопатку вентилятора тканой структуры. К внедрению ПКМ в конструкцию двигателя вернулась и компания RR, которая сегодня ведет активную работу над углепластиковым вентилятором двигателя UltraFan, который в настоящее время позиционируется как самый большой и самый мощный реактивный двигатель в мире. Необходимо также отметить работы по созданию РЛВ из ПКМ, выполненные в последние годы в АО «ОДК-Авиадвигатель», ПАО «ОДК-Сатурн», ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова», НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ, ЗАО «Инумит» и ряде других предприятий и организаций.

Одним из ключевых факторов создания работоспособной РЛВ двигателя GE90 оказалось создание компанией Hexcel уникального углепластика, обладающего повышенными характеристиками ударостойкости. Применение данного материала вкупе с конструкторскими решениями и экспериментальными подходами позволило обеспечить прочностную надежность РЛВ при всех видах эксплуатационной нагрузки. При этом для обоснования прочности использовались более жесткие требования («Специальные условия»), чем требования, предъявляемые для металлических РЛВ (АП-33, FAR-33).

Однако создание РЛ из ПКМ (углепластика) является сложной технической задачей. В первую очередь, это связано с особенностями ПКМ. КМ - материал, состоящий из двух и более компонентов или фаз, обладающий свойствами, отличными от свойств его компонентов. Свойства КМ зависят от многих факторов, начиная от свойств и типов компонентов, структуры внутреннего строения материала, заканчивая технологией изготовления и условиями эксплуатации. Одним из важнейших достоинств КМ является возможность создания конструкции с заранее заданными свойствами путем формирования внутренней структуры КМ и выбора направления укладки армирующих волокон. Возможность формирования свойств материала изделия указывает на то, что КМ не существует вне изделия. Иными словами, выбор компонентов КМ, формирование внутренней структуры осуществляются для каждого конкретного случая применения, исходя из назначения детали, эксплуатационных нагрузок, условий окружающей среды и т.д. [1].

Поэтому изучение свойств ПКМ в сочетании с конкретным обликом РЛ вентилятора является актуальной технической задачей при её создании.

Изучению особенностей конструкционных КМ в течение последних 70 лет, эффективности их применения в различных отраслях техники посвящена обширная литература. Трудами таких исследователей как В.В. Болотин, Г.А. Ванин, В.В. Васильев, С.Г. Лехницкий, С.Т. Милейко, А.Н. Полилов, Ю.Н. Работнов, Ю.М. Тарнопольский, Дж. Сендецки, Б.В. Розен, К. Чамис, С.В. Цай, Е.М. Ву, З. Хашин и многих других сформировано современное состояние науки в этой отрасли. Следует отметить большой объем работ по созданию РЛВ, лопаток вентилятора из КМ, выполненный иностранными специалистами, прежде всего сотрудниками фирм ОБ, Бпееша, ЯК В СССР определенный опыт в этом направлении был получен в 70-ые годы прошлого века в работах Т.Д. Каримбаева, Л.А. Горшкова, Ю.А. Ножницкого, Ю.А. Петрова, Г.М. Гуняева, А.Ф. Румянцева, А.М. Кшнякина, С.Н. Коновалова, С.Н. Николаевского, Ю.В. Виганта и других по созданию лопатки двигателя Д-18Т [2]. В постсоветское время работы по РЛ из ПКМ в России возобновились после длительного перерыва в 2016 г. с началом разработки ТРДД ПД-35. Отечественная промышленность к этому времени не располагала ни необходимой компонентной базой и материалом, годным для РЛ вентиляторов ТРДД, ни технологией изготовления РЛ, ни методами проектирования РЛ, ни методами испытаний применительно к задачам создания РЛ. Технология испытаний ПКМ для РЛ, включая оборудование, системы измерений, методики испытаний, за рубежом создавалась в течении последних 60 лет. Для обеспечения безопасности воздушных судов при применении КМ проводится масса доказательных испытаний, число которых в десятки раз превосходят объём испытаний традиционных металлических материалов. В этих условиях формирование в короткие сроки системного подхода для исследований механических характеристик ПКМ для РЛ явилось актуальной технической задачей.

ПКМ - это анизотропный материал, имеющий в отличие от металлов гораздо большее число параметров, необходимых для проектирования изделия, для оценки (расчета) его напряженно-деформированного состояния (НДС). Без определения комплекса механических и физических характеристик КМ не может быть создано изделие. Применительно к РЛ, которые являются ответственной деталью двигателя, имеется определенная специфика требований как к комплексу механических характеристик ПКМ, технологии проведения испытаний, так и к оценке их результатов. Отечественная практика создания РЛ ТРДД практически отсутствует. Выполненные в 70-х годах прошлого столетия исследования механики армированных материалов [3], методы проектирования [4] и испытаний [5, 6] хотя и имели фундаментальное значение, всё же были недостаточными для создания широкохордных РЛ ТРДД большой степени двухконтурности. Весьма скудные и недостаточные для РЛ сведения можно получить из опыта создания неметаллических винтов компанией «Аэросила», ориентированных, в основном, на технологию ЯТМ

(resin transfer moulding). В силу этого ряд основополагающих настоящего исследования положений заимствован из опыта таких зарубежных двигателестроительных фирм как Дженерал Электрик (GE), Снекма (Snecma), Прат-Уитни (Pratt Whitney), Роллс-Ройс (RR). Диссертационная работа посвящена экспериментальным исследованиям ПКМ в обеспечение создания РЛ вентиляторов ТРДД. Вышеуказанное определяет актуальность диссертационной работы.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка технологии экспериментального определения комплекса механических характеристик ПКМ при статическом нагружении, необходимого для надежного проектирования РЛВ ГТД на основе:

- совершенствования существующих и разработки новых методов проведения испытаний (методов определения механических характеристик);

- создания базы экспериментальных данных вновь разрабатываемых ПКМ.

- формирования системы специальной квалификации ПКМ для РЛ; Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

1. Анализ подходов, используемых ведущими зарубежными двигателестроительными фирмами при экспериментальном отборе ПКМ для РЛ вентиляторов.

2. Установление перечня необходимых свойств ПКМ в обеспечение формирования статических характеристик материала РЛ, необходимых для ее проектирования, изготовления и прочностной доводки.

3. Анализ методов определения характеристик статической прочности и трещиностойкости ПКМ для РЛВ.

4. Отработка методов и средств для экспериментального определения характеристик статической жесткости, прочности и трещиностойкости ПКМ для РЛВ.

5. Получение характеристик перспективных материалов, формирование базы экспериментальных данных для проектирования РЛ вентилятора.

6. Формирование номенклатуры и облика конструктивно-подобных элементов (КПЭ) РЛ из ПКМ и прочностных задач, решаемых при испытаниях КПЭ.

7. Сопоставление значений механических характеристик ПКМ, определенных при испытании стандартных образцов, с их значениями, реализованными в РЛВ.

Методы исследования. Экспериментальные исследования ПКМ проводились как по стандартам ASTM и ГОСТ, так и с использованием вновь разработанных методов испытаний, в том числе с применением метода корреляции цифровых изображений (Digital Image Correlation, DIC).

Научную новизну работы составляют:

• Комплексная технология экспериментальных исследований ПКМ, позволяющая определить полный спектр механических характеристик статической прочности и трещиностой-кости (более 30 показателей), необходимых для проектирования РЛВ.

• Новые и усовершенствованные существующие методы определения механических характеристик ПКМ с применением метода корреляции цифровых изображений:

- новая методика определения характеристик ПКМ при межслоевом сдвиге по схеме четырехточечного несимметричного изгиба, которая в отличии от существующих методик, позволяет определять характеристики межслоевого сдвига на образцах малой толщины и образцах-свидетелях, вырезанных из РЛВ, а также обеспечивает более высокую повторяемость результатов и существенное снижение стоимости испытания;

- новый метод определения прочности ПКМ при растяжении в направлении, перпендикулярном плоскости армирования, имеющий, в отличии от стандартного (ASTM D7291), более высокую информативность в части возможности определения коэффициентов Пуассона, а также эффективность в части определения предела прочности (кондиционное разрушение образца в рабочей зоне);

• Метод определения коэффициента Пуассона v13;

• Усовершенствованный метод определения характеристик трещиностойкости ПКМ (тип I) с использованием оригинальной конструкции крепления нагружающих элементов (получен патент на полезную модель), а также способ измерения длины трещины (получен патент на способ измерения). Разработанная конструкция обеспечивает (в отличии от стандартного метода) получение требуемого разрушения образца, а также приведение испытаний в более широком, чем стандартный метод, диапазоне температур;

• Сформированная концепция нанесения повреждений на ПКМ, которая впервые позволяет использовать классификацию ударных повреждений, традиционно ранжируемых FAA по визуальным признакам (barely visible impact damage BVID, visible impact damage VID), для сопоставления с категориями аналогичных повреждений, наносимых методом квазистатического продавливания на плоские образцы.

• Результаты исследования упруго-прочностных характеристик 7-ми новых углепластиков, разработанных для РЛВ;

• Рекомендации по выбору ПКМ, в наибольшей степени удовлетворяющего требованиям прочности, предъявляемым к материалу для РЛВ;

• Метод подтверждения соответствия значений механических характеристик ПКМ, полученных при испытаниях образцов и использованных при проектировании РЛВ, значениям, реализованным в РЛВ характеристик конструкционной прочности (с использованием результатов испытаний образцов-свидетелей, вырезанных из лопатки);

• Методы сравнительных испытаний образцов-свидетелей хвостовика РЛВ на прочность при растяжении и сжатии (применение данных методов апробировано на образцах-свидетелях из полноразмерной РЛВ).

• Метод исследования прочности хвостовика РЛ с использованием разработанной конструкции КПЭ («двухзамковый» образец).

Практическая ценность работы:

1. Экспериментально определенный комплекс упруго-прочностных характеристик новых ПКМ использовался при прочностном проектировании и квалификационных испытаниях опытных РЛ вентиляторов двинателей ПС-12, ПД-14, экспериментального биротативного вентилятора и модельных вентиляторов С194, а также перспективного двигателя ПД-35.

2. Разработаны при непосредственном участии диссертанта технические требования для ПКМ РЛВ.

3. С использованием усовершенствованных методов испытаний ПКМ на трещиностойкость экспериментально получены параметры одного из наиболее сложных критериев роста трещин -B-K критерия («Benzeggah and Kenane criterion»).

4. Впервые в РФ определены характеристики трещиностойкости ПКМ при смещении трещины по типу III (Giiic).

5. На основе разработанной концепции нанесения повреждений сформирован подход к оценке годности ПКМ для РЛВ путем определения прочности материала с повреждениями.

6. На базе разработанной технологии экспериментального определения комплекса статических механических характеристик ПКМ для РЛ формируются отраслевые методики проведения испытаний.

7. Методы испытаний ПКМ, в том числе методы испытаний КПЭ из ПКМ используются для формирования системы специальной квалификации ПКМ для РЛ вентиляторов.

8. Разработанная методика вырезки и испытаний образцов из полноразмерной РЛ рекомендована для использования при прочностной доводке и объективном сравнении различных технологий изготовления.

9. С использованием разработанных методов проведены экспериментальные исследования ряда углепластиков - кандидатов на роль материала РЛВ, выбран наиболее удовлетворяющий сформированным требованиям для РЛВ материал.

10. Разработаны методические рекомендации по подтверждению прочностной надежности РЛВ из ПКМ [7].

В постсоветское время в РФ не издавалась литература, обобщающая методы механических испытаний ПКМ. Настоящие исследования, посвященные технологии испытаний ПКМ для РЛ вентиляторов, в некоторой степени восполняют этот пробел.

На защиту выносятся совокупность доработанных и вновь разработанных методов экспериментальных исследований ПКМ для РЛВ, включая методы определения механических характеристик ПКМ, методики оценки реализации характеристик в изделии, а также результаты экспериментальных исследований данными методами наиболее перспективных ПКМ для РЛВ.

Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждается широким использованием международных и отечественных стандартов. Испытания проведены в аккредитованной для проведения сертификационных испытаний Испытательной Лаборатории с использованием аттестованного в установленном порядке экспериментального оборудования и поверенных средств измерений. Результаты испытаний с использованием вновь разработанных методов сопоставлены с результатами испытаний по стандартам АБТМ, а также результатами расчетов, выполненных методом конечных элементов.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждены на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (2011, 2014, 2016, 2018, 2021, 2023 г., г. Самара); на Всероссийской конференции «Проблемы науки и технологий» (2013 г., г. Миасс); на Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «Тестмат» (2013, 2017, г. Москва); на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (2015 г., 2019 г., г. Москва); на Всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (2015 г., г. Москва); на Симпозиуме «Прочность, надежность, долговечность и эксплуатационная технологичность двигателей. Неразрушающие методы контроля» (2018 г., г. Москва); на Международном технологическом форуме «Инновации, технологии, производство» 2018, 2019 г., г. Рыбинск); на 5-й Международной конференции по механике композиционных материалов «МееЬСошр 2019», (Португалия, г. Лиссабон, 2019 г.); на Международном форуме «Ключевые тренды в композитах» (Москва (2020 г.); на Международной научно-технической конференции по авиационным двигателям «1САМ 2020», (Москва, 2021 г.) и на ежегодных семинарах ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова» (2016, 2017, 2018 г);.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 научных статьях (3 из них - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 - в издании Scopus) и в 2-х патентах РФ на изобретения, в 20 технических отчетах и 15 тезисах докладов.

Вклад автора в проведенное исследование заключается в определении целей и задач работы, в сборе и анализе информации о методах определения упруго-прочностных характеристик, о механических свойствах зарубежных ПКМ находящихся в эксплуатации РЛ, сформированного перечня экспериментальных исследований характеристик статической прочности и трещино-стойкости углепластика, необходимых для проектирования РЛ, в экспериментальной отработке стандартных методов определения упруго-прочностных характеристик ПКМ, выявлении и устранении недостатков этих методов. В частности, разработан метод испытаний ПКМ на межслоевой сдвиг, позволяющий определять межслоевые характеристики на образцах, вырезанных из РЛ, усовершенствован метод испытаний ПКМ на трещиностойкость, разработан новый метод определения прочности ПКМ при растяжении в направлении, перпендикулярном плоскости армирования, доработан метод определения характеристик прочности при сжатии образцов с повреждениями, разработана и экспериментально отработана методика испытаний КПЭ хвостовика РЛ. Автором диссертации обобщены научные результаты и сформулированы основные положения и выводы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 88 наименований и содержит 155 страниц текста, 144 рисунка, 20 таблиц.

1. Механические характеристики ПКМ для рабочих лопаток (РЛ) вентилятора

Данная глава посвящена обзору отечественных и зарубежных научных публикаций по исследования механических свойств армированных волокнами полимерных композиционных материалов. Описаны упругие и прочностные особенности ПКМ, отличающие их от металлов. Рассмотрены основные типы упругой симметрии КМ. Проанализирован опыт компании ОБ при выборе ПКМ для РЛ вентилятора, и особенно результаты сравнительных испытаний 10 конкурирующих ПКМ для РЛ. На основе анализа опыта компании ОБ показаны наиболее важные механические характеристики ПКМ для РЛВ.

Как уже было сказано выше, КМ в зависимости от схемы армирования может обладать различными типами упругой симметрии, которая обуславливает число независимых характеристик ПКМ, необходимых для расчетного проектирования изделий. Основные типы упругой симметрии КМ и соответствующий им необходимый перечень механических характеристики достаточно подробно изложены в работах [8, 9, 10]. Кроме того, в данных работах показаны принципы проектирования материала с заданными свойствами, способы расчета свойств ПКМ с произвольно-армированной ориентацией отдельных слоев. Данные работы по существу являются введением в теорию упругости анизотропного тела, являющуюся научной основой расчета деталей из композиционных материалов.

Экспериментальные методы статических испытаний ПКМ, позволяющие определять необходимый перечень упруго-прочностных характеристик КМ, обобщены и изложены в книгах [11, 12]. В книге [12] представлены как стандартизированные, так и не стандартизированные методики испытаний. Также автором приведена оценка рассматриваемых методов с точки зрения точности, сложности реализации, трудоемкости, сложности обработки экспериментальных данных.

Вопросы технологии изготовления, механических свойств и особенностей разрушения ПКМ достаточно широко освещены в работе [13]. Рассмотрены основы механики разрушения полимерных композиционных материалов.

Представленные выше работы по существу являются научной основой для понимания специфики и идеологии проектирования изделий из ПКМ. Однако, если говорить о ПКМ для РЛ вентиляторов, рассматриваемого перечня экспериментальных исследований (характеристик) недостаточно. В первую очередь это связано со сложностью геометрии РЛ, а также условиями их эксплуатации. Для успешного применения ПКМ для РЛ вентилятора необходимо обеспечить соответствие высоким требованиям к прочностным свойствам, жесткости и живучести конструкции.

Геометрический облик РЛ. РЛ вентиляторов современных ТРДД состоят из трех частей: профильная часть, ножка лопатки, хвостовик РЛ. Профильная часть представляет собой искривленную, закрученную пластину переменной толщины как вдоль профиля, так и по ширине. Часто профили РЛ имеют определенную парусность, а передние кромки - двойную кривизну. Ножка лопатки представляет собой пластину в форме трапеции относительно большой толщины. Крепление РЛ в диске формируется, как правило, хвостовиком типа «ласточкин хвост». Сложная геометрическая форма лопаток определяет проблемы формирования материала РЛ, технологий её изготовления и испытаний.

Отличие РЛ из КМ от РЛ из металла. Коренное отличие РЛ из КМ от РЛ из металла заключается в том, что КМ РЛ с его специфическими свойствами (жесткость в определенных направлениях, характерная прочность при растяжении, сжатии, сдвиге, усталостная и длительная прочность) формируется при её прочностном проектировании. Второе существенное отличие заключается в том, что механические и физические свойства КМ РЛ существенно зависят от направления, что приводит к совершенно иному перечню и числу параметров, необходимых для проектирования и экспериментальному определению. Ещё одно отличие заключается в технологии изготовления РЛ. Если при изготовлении РЛ из металла свойства металла не меняются, то при изготовлении РЛ из КМ надо приложить большие усилия и умение для того, чтобы в готовой продукции сохранить спроектированные свойства КМ. Наконец, реализуемая в конструкции прочность ПКМ существенно зависит от эксплуатационных воздействий.

Актуальность использования КМ для изготовления рабочих лопаток (РЛ). Известно, что повышение эффективности ГТД для больших и средних магистральных лайнеров гражданской авиации связывают с увеличением их двухконтурности. Это мероприятие, безусловно, приводит к увеличению размеров вентилятора и РЛ. С их увеличением растет масса РЛ и двигателя в целом, что неприемлемо для летательных аппаратов. В связи с этим становится актуальным применение КМ для изготовления РЛ существующих и перспективных вентиляторов. Пожалуй, самым показательным примером применения ПКМ для РЛ вентилятора является двигатель компании General Electric GE-90, эксплуатирующий на самолетах Boeing, начиная с 1980-х годов. Стоит отметить, что данный двигатель считается одним из самых надежных в своем классе. Ввиду отсутствия опыта внедрения такого рода деталей из ПКМ в конструкцию двигателя в РФ, в настоящее время опыт компании GE является базовым для формирования требований к механическим характеристикам ПКМ для РЛ вентилятора. Подробно анализ публикаций GE, посвященный разработке ПКМ для РЛ вентилятора, представлен в главе 1.2.

Имея ввиду, что свойства КМ формируются в изделии, следует рассмотреть те упругие и прочностные характеристики КМ, которые используются при проектировании РЛ вентилятора

из ПКМ. Важнейшей задачей является формирование наиболее важных механических характеристик ПКМ для РЛВ с учетом особенностей механики ПКМ и эксплуатационных условий работы РЛВ. Содержание главы отражено в публикации автора [14].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пальчиков Денис Сергеевич, 2025 год

Список литературы

1. Скудра AM., Булавс Ф.Я. Прочность армированных пластиков. - М.: Химия, 1982 г, с.7.

2. Пат. 344168 СССР, МПК F01D 5/1б, F04D 29/3В Лопатка турбомашины / Н.П. Бардина, И.A, Воронцов, ЛА. Горшков, Г.М. Гуняев, Т.Д. Каримбаев, ЮА. Киселев, П.В. Малютин, A^. Румянцев, Н.Д. Степаненко. - опубл. 1972. - Бюл. №21. - 2 с.

3. Кортен Х.Т. Разрушение армированных пластиков. Москва: Изд-во «Химия», 1967 г, 168 с.

4. Тарнопольский Ю. М., Розе A. В. Особенности расчета деталей из армированных пластиков. Рига: Зинатне, 1969. 274 с

5. Огибалов П.М., Малинин Н.И., Нетребко В.П., Кишкин Б.П. Конструкционные полимеры. Методы экспериментального исследования. Книга первая. Москва. 1972 г.

6. Кинцис Т.Я., Розе A3., Жигун И.Г. Методы статических испытаний армированных пластиков. Рига, 1972 г. - 216 с.

7. Пальчиков Д.С., Мыктыбеков Б., Aфанасьев Д.В. Методические рекомендации по подтверждению прочностной надежности рабочей лопатки вентилятора из полимерного композиционного материала. Инв. №1827. 2022 г., 27 с.

В. Лехницкий С. Г. Теория упругости анизотропного тела. Москва: Издательство «Наука», Гл. редакция Физ-мат литературы, 1971 г., 415 с.

9. Чамис К. Композиционные материалы. Aнализ и проектирование конструкций. Том 8 часть 2, Москва, 1978, 262 с.

10. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ./под ред. Г.С. Шапиро. - 2-е изд. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979, 560 с.

11. Полилов A.fr Экспериментальная механика композитов: учебное пособие / A.fr Полилов. - 2-е изд. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 201б. - 375 с

12. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Химия, 1981, 263 с.

13. Баженов С.Л. Механика и технология композиционных материалов: научное издание /С.Л. Баженов. - Долгопрудный: Интелект, 2014. - 328 с.

14. Каримбаев Т. Д., Луппов A. A., Aфанасьев Д. В., Пальчиков Д. С. О формировании технических требований к полимерному материалу перспективной рабочей лопатки вентилятора ТРДД //Журнал «Двигатель» №1 (97+244), 2015 г.

15. Хао Лю, Думанский AM. Прогнозирование и расчет анизотропии механических свойств однонаправленного углепластика при скоростном нагружении - Инженерный журнал: наука и инновации № 1, 2020, 10 с.

16. Гольденблат И.И., Копнов ВА. Критерий прочности анизотропных материалов // Механика. 1965. №6. С. 77-В3.

17. Hashin, Z. & Rotem, A., A Fatigue Failure Criterion for Fibre Reinforced Materials, J. Composite Materials, v. 7, 1973, pp. 44В-4б4.

1В. Hashin Z. Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites. Journal of Applied Mechanics 1980;47:329-34. 4.

19. Каримбаев Т.Д. Структурная теория прочности композиционных материалов - «Изв. AR СССР. Механика твердого тела.», 1977, №2.

20. Каримбаев Т.Д. Оценка разрушения структурных элементов композиционного материала // «Проблемы прочности и динамики в авиадвигателестроении», выпуск первый, Труды ЦИAМ №887, 1980, стр. 151-1б1.

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

Каримбаев Т.Д. Подходы при моделировании деформаций композиционных материалов // Журнал «Космонавтика и ракетостроение» №1(54), г. Королев, 2009 г., стр. 91-102. Каримбаев Т.Д. Критерии зарождения повреждений в конструкциях из композиционных материалов // Журнал «Авиационные двигатели» №1(2), 2019, стр. 25 - 36. Брытков Е.В., Санников В.А. Механика композиционных материалов: учебное пособие. -СПб., 2012. 74 с.

Ilcewicz L. Past Experiences and Future Trends for Composite Aircraft Structure Montana State University Seminar, 2009, p.18

Wadia A.R. Technologies for the Next Engine Generation, GE Aviation Cincinnati, Ohio, September, 2014, р-10. [Электронный ресурс]. URL: https://www.icas.org/ICAS AR-CHIVE/ICAS2014/data/papers/2014 1024 paper.pdf

Donald L. Smith, Marvin B. Dow. Properties of Fhree Graphite/Toughened Resin Composites. NASA Technical Paper 3102. September 1991.

Roberto J. Cano, Marvin B. Dow. Properties of Five Toughened Matrix Composite Materials. NASA Technical Paper 3254. 1992.

Kuwata M. Mechanisms of interlaminar fracture toughness using non-woven veils as interleaf materials. Queen Mary, University of London, School of Engineering and Materials Science, Department of Materials; 2010, р.57

Masters, J.E., (1987), "Correlation of impact and delamination resistance in interleafed laminates", Proceeding of the 6th ICCM/2nd ECCM, London, UK, pp.3.96-3.107 E. S. Greenhalgh. Failure Analysis and Fractography of Polymer Composites. Elsevier 2009. Патент РФ RU168913/ Метод крепления нагружающих элементов при испытаниях ПКМ на трещиностойкость / Пальчиков Д. С., Афанасьев Д. В. - опубл. 2017. - Бюл. №7. - 8 с. Патент на изобретение RU2672035/ Способ испытания на трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов / Матюхин Д.В., Пальчиков Д.С., Синицын А.В. - опубл. 2018. - Бюл. №31. - 20 с.

Каримбаев Т.Д., Пальчиков Д.С. Методы неразрушающего контроля деталей авиадвигателей их композиционных материалов. Выявление границ допустимости дефектов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. №5 (47), часть 1, 2014. Каримбаев Т.Д., Пальчиков Д.С., Афанасьев Д.В. Развитие новых методик определения характеристик прочности полимерных композиционных материалов для деталей авиационных двигателей// Прочность и надежность газотурбинных двигателей. Сборник научных трудов / Под редакцией Ножницкого Ю.А. М.: ЦИАМ. 2020, с. 218. Sutton, M.A. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. Basic Concepts, Theory and Applications / M. A. Sutton, J.-J. Orteu, H.W. Schreier - Springer, 2009. -348 с.

Каримбаев К.Д., Пальчиков Д.С. О критериях потери устойчивости сжатых стержней за пределами упругости при жестком нагружении // Вестник УГАТУ. Т.19, №3 (69). С. 126131. 2015 г.

ASTM D5229 Standard Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer Matrix Composite Materials. 2020.

ГОСТ Р 56762-2015 Композиты полимерные. Метод определения влагопоглощения и равновесного состояния. - М.: Стандартинформ, 2016. - 30 с.

39. Antonios G. Stamopoulos, Konstantinos I. Tserpes, Petr Prucha, Daniel Vavrik. Characterization of Porous CFRP Laminates by Mechanical Testing and X-ray Computed Tomography // 6th International Symposium on NDT in Aerospace, 2014, Madrid, Spain.

40. Карабутов А.А, Сапожников О.А. Обнаружение расслоений в слоистых материалах ла-зерно-ультразвуковым методом в эхо-импульсном режиме // Контроль. Диагностика. 2011 (1): 50 - 55

41. Мурашов В.В, Мишуров К.С. Определение пористости углепластиков в авиационных конструкция ультразвуковым методом // Авиационные материалы и технологии. №2 2015.

42. Карабутов А.А. Патент RU 2381496 C1. Лазерно-ультразвуковой дефектоскоп. 2008.

43. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. - ИД Спектр, Москва, 2009 - 544 с.

44. ASTM D3039 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. 2017.

45. ГОСТ 25.601-80 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей. Метод испытания на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. 1980 г.

46. ASTM D7291/D7291M-15. Standard Test Method for Through-Thickness «Flatwise» Tensile Strength and Elastic Modulus of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite Material.

47. ГОСТ Р 57864 Метод определения предела прочности и модуля упругости при растяжении в направлении толщины образца. 2018 г.

48. ASTM D3518 Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a ±45° Laminate. 2018.

49. ASTM 5766 Standard Test Method for Open-Hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates. 2018.

50. ASTM D6641 Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture. 2016.

51. ASTM D3410/D3410M - 16. Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear loading. 2016.

52. ГОСТ 25-602.80 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей. Метод испытания на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах. 1980 г.

53. ГОСТ Р 56812-2015 Композиты полимерные. Метод определения механических характеристик при комбинированной сжимающей нагрузке. - М.: Стандартинформ, 2016. - 16 с.

54. ASTM D 7264 Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. 2021.

55. ASTM D 2344/D2344M - 13. Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates.

56. General Electric. Certification report for GE90-75B/-76B/-85B Model. Fanblade HCF/LCF Test. Report R94AEB252.1995.

57. ASTM D5379. Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method. 2005.

58. ASTM D7078. Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by V-notched Rail Shear Method. 2012.

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

Полилов А.Н, Татусь Н.А. Обоснование критериев прочности волокнистых композитов данными, полученными в эксперименте// Вестник научно-технического развития, №7 (59), 2012г. стр.35-50

Hiroshi Yoshihara, Hiroki Kond. Effect of specimen Configuration and Lamination Construction on the Measurement of the In-plane Shear Modulus of Plywood Obtained by the Asymmetric Four-point Bending Test. D0I:10.15376/biores.8.3.3858-3868. 2013.

Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - 8-е издание., стереотип. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. - 560 с. Николаева Е. А. Основы механики разрушения, г. Пермь 2010, с. 16-17, 22, Krueger R. Сomputational fracture mechanics for composites// Materials science. 2006. Gutkin R., Laffan M.L., Pinho S.T., Robinson P, Curtis P.T. Modelling the R-curve effect and its specimen-dependence// International Journal of Solids and Structures 48 (2011) 1767-1777. Каримбаев Т.Д., Б. Мыктыбеков, Мезенцев М.А., Пальчиков Д.С. Исследования трещино-стойкости армированных композиционных материалов по моде II с применением ENF-метода //Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - №9-2 (48), 2020. - С.113-117. DOI: 10.24411/2500-1000-2020-11039

Черепанов Г.П. Механика разрушения композиционных материалов// М-ва, Наука, Гл. редакция физ-мат литературы, 1983, 256 стр.

Svensson D. Experimental methods to determine model parameters for failure modes of CFRP. Sweden, 2013.

ASTM D5528-01. Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. 2001.

ГОСТ Р 56815-2015. Композиты полимерные. Метод определения удельной работы расслоения в условиях отрыва GIC. - М.: Стандартинформ, 2016. - 20 с.

ГОСТ 33685-2015. Композиты полимерные. Метод определения удельной работы расслоения в условиях сдвига Giic. - М.: Стандартинформ, 2016. - 20 с.

ASTM D7905. Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. 2019. ASTM D6671. Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites. 2019 г. Lee, S.M. An Edge Crack Torsion Method for Mode III Delamination Fracture Testing. J Comp Tech Res, 15(3):193-201. 1993.

Ratcliffe J. Characterization of the Edge Crack Torsion (ECT) Test for Mode III Fracture Toughness Measurement of Laminated Composites // in proceeding of the 19th ASC/ASTM Technical Conference. Atlanta. 2004.

Reeder J.R. 3D Mixed-Mode Delamination Fracture Criteria An Experimentals Perspective. Material Science. 2006.

ASTM D7137 Standard Test Method for Compressive Residual Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates. 2017.

ГОСТ 4647-80 Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи. 1981 г. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. Санкт -Петербург, 2010

ASTM D6484 Standard Test Method for Open-Hole Compressive Strength of Polymer Matrix Composite Laminates. 2020.

80. ASTM D7136. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event. 2020.

81. ASTM E1012. Standard Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application. 2019.

82. AC 25.571-1D - damage tolerance and fatigue evaluation of structure. 2018.

83. P. Feraboli Forceful Measures, Energetic Solutions. January 2006.

84. ASTM D6264/D6264M. Standard Test Method for Measuring Damage Resistance of Fiber-Reinforced Polymer-Matrix Composite to Concentrated Quasi-Static Indentation Force. 2017.

85. Palchikov D.S. Methods for experimental research of СFRP with damages for fan blades // IOP Conference series: Material Science and Engineering // Journal of Physics: Conference Series 1990 (2021) 012028. 2021 г.

86. Каримбаев Т.Д., Луппов А.А., Афанасьев Д.В., Пальчиков Д.С., Макаева Е.А., Николаева М.П. Развитие расчетных методов проектирования широкохордных лопаток из полимерных композиционных материалов для вентиляторов авиационных двигателей // Прочность и надежность газотурбинных двигателей. Сборник научных трудов / Под редакцией Ножницкого Ю.А. М.: ЦИАМ. 2020, с. 191.

87. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. - М.: Машиностроение, 1993. - 240 с.

88. Пальчиков Д.С. Экспериментальное определение долговечности хвостовиков рабочих лопаток вентиляторов, изготовленных из полимерных композиционных материалов // Прочность и надежность газотурбинных двигателей. Сборник научных трудов / Под редакцией Ножницкого Ю.А. М.: ЦИАМ. 2020, с.223.