Пермские ученые выяснили, как царапины и вмятины влияют на прочность авиационного стеклопластика

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) впервые комплексно изучили, как царапины и вмятины влияют на прочность и долговечность авиационных деталей из стеклопластика. Результаты помогут точнее определять, когда деталь нужно менять, а когда можно эксплуатировать дальше, экономя ресурсы без ущерба для безопасности.

Стеклопластик широко используют в авиации — он легкий, недорогой и не ржавеет. Но при ударах камней, града или птиц на нем образуются вмятины и царапины. Существующие методы контроля фиксируют дефект, но не могут предсказать, сколько еще прослужит поврежденная деталь. Поэтому конструкторы закладывают завышенные запасы прочности. Из‑за этого самолеты получаются тяжелее, тратят больше топлива и сильнее загрязняют воздух, а перелеты становятся дороже.

Ученые Пермского Политеха впервые провели комплексное исследование, в котором сравнили, как царапины и вмятины снижают прочность и срок службы стеклопластика. До сих пор таких данных не было: отдельные работы изучали либо царапины, либо вмятины, но не вместе, а испытания на прочность и на долговечность обычно проводили раздельно.

Авторы исследования выполнили полный цикл испытаний на реальных нагрузках, возникающих в авиации. Они воспроизвели два самых частых повреждения авиационного стеклопластика: царапины, появляющиеся при контакте с инструментом во время обслуживания, и вмятины, возникающие от ударов камней, града или столкновения с птицей.

Затем эти образцы проверили в двух режимах. Сначала их медленно нагружали до разрушения, чтобы понять, насколько царапина или вмятина снижают предельную прочность. Потом многократно нагружали и разгружали, имитируя взлеты и посадки, чтобы выяснить, сколько таких циклов выдержит поврежденная деталь. Все эксперименты провели на уникальной установке ПНИПУ, которая по своим возможностям не имеет аналогов в России и соответствует стандартам лучших мировых лабораторий. Результаты оказались неожиданными.

«Когда образцы тянули до разрушения, царапина почти не повлияла на прочность: образец с царапиной порвался при той же нагрузке, что и целый. Вмятины оказались опаснее: слабая снизила прочность на 17 %, средняя — на 25 %, сильная — на 30 %. Это значит, что если целая деталь была рассчитана на нагрузку 100 кг, то с сильной вмятиной она выдержит только 70 кг. При этом царапины и вмятины не снизили жесткость материала: поврежденный образец сопротивлялся изгибу так же, как целый. Это важный и тревожный вывод: если проверять деталь на упругость (например, пытаясь согнуть), нельзя заметить, что она повреждена. Деталь может казаться исправной, но на самом деле ее ресурс уже снижен», — рассказала один из участников исследования, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук Анастасия Лыкова.

Самое важное выяснилось при циклических испытаниях, когда образцы многократно нагружали и разгружали, имитируя взлеты и посадки. Целый образец выдержал больше 5000 циклов. Царапина сократила ресурс почти наполовину: образец с царапиной выдержал около 2800 циклов. Но с сильной вмятиной картина образец выдержал всего 368 циклов. Это на 93 % меньше, чем у целого. Иными словами, деталь с сильной вмятиной, такой например, как образуется при столкновении с птицей, служит в 14 раз меньше.

Сравнили вмятины разной силы, ученые обнаружили, что уровень опасности также зависит от того, как эксплуатируется деталь. Слабая вмятина сильнее всего вредит при долгой спокойной работе, когда нагрузок много, но они небольшие, как у пассажирского самолета, который летает каждый день. В таком режиме деталь со слабой вмятиной выдерживает в 4 раза меньше циклов, чем целая. Сильная вмятина, напротив, опаснее при резких перегрузках, когда нагрузок мало, но каждая очень сильная, как у военного истребителя. Здесь деталь с сильной вмятиной выдерживает в 50 раз меньше циклов, чем со слабой.

«Почему так происходит? С помощью высокоточных камер мы зафиксировали, что при слабой вмятине страдает смола, скрепляющая волокна. Она не ломается сразу, но постепенно разрушается от долгой работы. При сильной вмятине рвутся сами волокна — деталь не выдерживает даже нескольких сильных нагрузок», — объяснил еще один из авторов работы, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук Дмитрий Лобанов.

Результаты исследования позволяют инженерам точнее определять допустимые пределы повреждений.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации