Luận án Nghiên cứu phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay - Lê Nguyên Cường
BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LÊ NGUYÊN CƯỜNG
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TIÊU HAO
TUỔI THỌ THỰC TẾ CỦA KẾT CẤU MÁY BAY
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 62520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Lê Quang
2. PGS.TS Ngô Sỹ Lộc
Hà Nội - 2016
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung,
số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả
nào công bố.
Người hướng dẫn 1
Người cam đoan
PGS.TS Lê Quang
Lê Nguyên Cường
Người hướng dẫn 2
PGS.TS Ngô Sỹ Lộc
3
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án này, tôi đã được sự hướng dẫn, tạo điều kiện và giúp
đỡ tận tình của Viện đào tạo sau đại học, bộ môn Hàng không - Vũ trụ, Viện Cơ khí
Động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội và sự hướng dẫn nhiệt tình, chu đáo của
PGS.TS Lê Quang, PGS.TS Ngô Sỹ Lộc.
Trong quá trình nghiên cứu, tôi được Lãnh đạo, Chỉ huy Viện Kỹ thuật
Phòng Không - Không Quân, phòng N/C Máy bay Động cơ, Phòng N/C Thiết bị
hàng không quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian cũng như các trang thiết bị
thí nghiệm, cung cấp tài liệu, giúp đỡ thực hiện các thí nghiệm trong Phòng thí
nghiệm của Viện.
Tôi được Cục Kỹ thuật Phòng không - Không quân, Trung đoàn 910, Trường
sĩ quan Không quân Nha Trang cung cấp tài liệu về máy bay, khai thác máy bay và
số liệu thống kê các chuyến bay.
Tôi được các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tư vấn nhiều
ý kiến và cung cấp một số tài liệu quý.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc.
Hà Nội, ngày 7 tháng 3 năm 2017
Lê Nguyên Cường
4
MỤC LỤC
Trang
2
Lời cam đoan …………………………………………………………..
Lời cảm ơn ……………………………………………………............
Các chữ viết tắt …………………………………………………………
Các ký hiệu sử dụng ……………………………………………………
Danh mục các bảng …………………………………………………….
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ………………………………………….
Mở đầu ………………………………………………………………..
Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ………………...........
1.1 Những khái niệm chung về tuổi thọ máy bay và kết cấu máy bay……..
3
7
8
9
10
12
17
17
22
1.2 Phương pháp xác định tuổi thọ của kết cấu máy bay trong hệ thống khai
thác hiện hành ……………………………………………………. ….
1.3 Một số khái niệm về mỏi và mỏi gỉ kết cấu máy bay …………………
27
36
1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu lĩnh vực độ tin cậy và tuổi thọ kết
cấu máy bay …………………………………………………………….
1.5 Tổng quan về nghiên cứu giải mã các tham số bay trên hệ thống kiểm
39
tra khách quan của máy bay…………………………………………….
1.6 Tổng quan về máy bay và kết cấu máy bay L-39……………………..
1.7 Kết luận chương I …………………………………………………….
40
42
44
Chương II: Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực
tế của kết cấu máy bay ……………………………………………….
2.1 Sự cần thiết phải xây dựng phương pháp ………………………..
44
45
2.2 Cơ sở khoa học để xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ
thực tế của kết cấu máy bay ……………………...................................
2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu hao tuổi thọ các phần tử kết cấu máy
bay …………………………………………………………………….
46
54
2.2.2 Cơ sở và khả năng đánh giá các yếu tố điều kiện sử dụng ảnh hưởng
đến tuổi thọ kết cấu máy bay ……………………………….………
5
Trang
55
2.3 Nội dung cơ bản của phương pháp và bài toán tính tiêu hao tuổi thọ
thực tế …………………………………………………………………..
2.4 Một số yêu cầu để áp dụng phương pháp ………………………………
2.5 Kết luận chương II ……………………………………………………...
Chương III: Xác định tần số tải lặp lên kết cấu máy bay …………
3.1 Đặt vấn đề ………………………………………………………………
3.2 Phương pháp mô phỏng để xác định tần số tải lặp lên kết cấu ………...
57
59
60
60
63
3.3 Sử dụng hệ thống kiểm tra khách quan DTS-39-12 để xác định tần số
lặp của tải lên phần tử kết cấu máy bay……….……...………………...
68
68
70
71
75
77
78
78
79
84
87
3.3.1 Giới thiệu hệ thống …………………………………………………….
3.3.2 Hệ thống chương trình và sản phẩm giải mã khách quan ……………..
3.3.3 Chương trình tính tần số tải lặp lên phần tử kết cấu ……….…………..
3.4 Kết quả phân tích, xác định tần số tải lặp lên phần tử kết cấu máy bay
3.5 Kết luận chương III ……………………………………………............
Chương IV: Xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu máy bay
4.1 Đặt vấn đề ……………………………………………………………
4.2 Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………….
4.3 Thiết bị thử mỏi gỉ ………………………………………...……………
4.4 Kết quả thí nghiệm xây dựng các đường cong mỏi gỉ ……...………….
4.5 Sử dụng đồ thị các đường cong mỏi để tính toán số chu kỳ phá hủy
mỏi gỉ kết cấu …………………………………………………………..
91
96
4.6 Kết luận chương IV……..……………………………………………...
Chương V: Chương trình tính toán và kết quả ……………………..
5.1 Cơ sở xây dựng chương trình …………………………………………..
5.2 Lưu đồ thuật toán của chương trình phần mềm ………………………..
5.3 Các bước tính toán chương trình ……………………………………….
5.4 Kết quả tính toán ……………………………………………………….
5.5 Kết luận chương V……………………………………………………...
97
97
98
99
101
102
6
Trang
104
Kết luận chung …………….…………………………………………..
Tài liệu tham khảo …………………………………………………….
Danh mục các công trình đã được công bố ………………………….
Phụ lục………………………………………………………………….
106
111
112
7
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BDKT - Bảo dưỡng kỹ thuật
BQP - Bộ Quốc phòng
CNTT - Công nghệ thông tin
ĐTC - Độ tin cậy
ĐTCSD - Độ tin cậy sử dụng
HK-VT - Hàng không Vũ trụ
HKDD - Hàng không dân dụng
HKQS - Hàng không quân sự
KCB - Khí cụ bay
KHCN - Khoa học công nghệ
KHKT - Khoa học kỹ thuật
KTHK - Kỹ thuật hàng không
KTSD - Khai thác sử dụng
MBĐC - Máy bay động cơ
NVKT - Nhân viên kỹ thuật
NCS - Nghiên cứu sinh
PK-KQ - Phòng không - Không quân
QĐNDVN - Quân đội nhân dân Việt Nam
SCDP - Sửa chữa dự phòng
SSCĐ - Sẵn sàng chiến đấu
THTTTT - Tiêu hao tuổi thọ thực tế
TTBKT - Trang thiết bị kỹ thuật
TTKT - Trạng thái kỹ thuật
TTNĐVN - Trung tâm nhiệt đới Việt Nga
VKTBKT - Vũ khí trang bị kỹ thuật
VKTPK-KQ - Viện kỹ thuật Phòng không - Không quân
VTĐT - Vô tuyến điện tử
VKTQS - Viện kỹ thuật quân sự
VN - Việt Nam
8
CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG
Ktt - Hệ số tiêu hao tuổi thọ thực tế
ki - Mức tải, bằng tỷ số giữa ứng suất tải sử dụng với ứng suất tải phá hủy
mtb(t) - Số hỏng hóc trung bình sau thời gian t
n - Số lượng máy bay khai thác sử dụng
ni - Số chu kỳ của tải nyi tác động lên kết cấu
nx - Hệ số quá tải dọc
ny - Hệ số quá tải đứng
nz - Hệ số quá tải ngang
Ni - Số chu kỳ phá hủy của tải lặp mức nyi
Pađ - Độ tin cậy ấn định của kết cấu
P(t) - Xác suất làm việc không hỏng sau thời gian t
Pi - Nồng độ chất ăn mòn
Tđk - Tuổi thọ giữa các lần bảo dưỡng định kỳ
Ttb - Tuổi thọ trung bình
Ttt - Tuổi thọ thực tế
To - Nhiệt độ C
ti - Thời gian hoạt động đến hỏng hóc
ttb - Thời gian trung bình hoạt động đến hỏng hóc
X(t) - Tập tham số đặc trưng trạng thái tại thời điểm t
X(t+t) - Tập tham số đặc trưng trạng thái tại thời điểm dự báo t+t
Y(t) - Tham số đầu ra
ג
(t) - Cường độ hỏng hóc tt - Cường độ phá huỷ mỏi thực tế của kết cấu
ad - Cường độ phá huỷ mỏi ấn định của kết cấu
i - Hệ số ảnh hưởng của điều kiện khí hậu vùng khai thác máy bay
f(t,**) - Mật độ phân bố thời gian làm việc đến thời điểm đạt giá trị giới hạn **
fi - Tần số tải lặp của tải nyi
ω(t)- Dòng hỏng hóc
ωgh- Dòng hỏng hóc giới hạn
9
σ
max - Ứng suất cực đại
σm - Ứng suất trung bình
Kmax - Hệ số tải cực đại
x - Khoảng cho phép của tập tham số đặc trưng trạng thái
(,T2) - Mật độ xác suất tham số (t) ở thời điểm T2
**- Giá trị giới hạn của tham số trạng thái khi vượt qua sẽ có hỏng hóc
(t) - Tham số trạng thái tại thời điểm t
(t+t) - Tham số trạng thái tại thời điểm t+t
- Hệ số tin cậy, tính đến độ tản mạn của kết quả thử nghiệm mỏi, độ chính xác số
liệu thống kê và tính toán về độ bền mỏi.
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 Một số số liệu về máy bay và kết cấu máy bay L-39
Bảng 2.1 Mức độ ăn mòn khí quyển đối với hợp kim D16AT, tính bằng mg
Bảng 3.1 Tần số lặp của tải cho bài bay cơ động cao
40
49
75
76
76
79
Bảng 3.2 Tần số tải lặp cho bài bay cơ động trung bình
Bảng 3.3 Tần số tải lặp cho bài bay cơ động thấp
Bảng 4.1 Thành phần hóa học và giới hạn bền của hợp kim nhôm D16AT và
B95
Bảng 4.2
92
95
Hệ số ảnh hưởng i ở các vùng khí hậu
Bảng 4.3 Số chu kỳ phá huỷ mỏi của phần tử kết cấu
Bảng 4.4 Số liệu so sánh kết quả tính chu kỳ phá hủy mỏi
Bảng 5.1 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động thấp (nymax= 1,8)
Bảng 5.2 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động trung bình (nymax= 2,6)
Bảng 5.3 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động cao (nymax= 4)
95
102
102
102
10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
25
Hình 1.1
Hình 1.2
Qui luật phân bố mật độ hỏng hóc trong khai thác theo định kỳ
Sơ đồ quá trình khai thác theo định kỳ có hiệu chỉnh theo độ tin
cậy sử dụng
26
Hình 1.3
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 3.1
Kết cấu cánh máy bay L-39
42
49
52
62
Mức độ gỉ của mẫu hợp kim nhôm D16AT có độ dày 2 mm
Tần số lặp tích hợp của tải đối với các bài bay
Biểu đồ hệ số quá tải đứng ny của kết cấu máy bay trong một
chuyến bay
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Quá trình mô phỏng theo phương pháp cực đại
Quá trình mô hình hoá theo phương pháp cực trị
Sơ đồ khối hệ thống KTKQ DTS-39-12
Giao diện phần mềm
65
66
70
71
71
72
72
74
75
77
Bảng chọn các tham số cần giải mã
Kết quả giải mã khách quan dạng đồ thị
Kết quả giải mã khách quan dạng bảng dữ liệu
Thuật toán chương trình tính tần số lặp của tải lê phần tử kết cấu
Hình 3.10 Giao diện phần mềm tính tần số tải lặp
Hình 3.11 Tần số lặp tích hợp của tải lên kết cấu máy bay L-39 của 3 bài
bay đặc trưng
Hình 4.1
Hình 4. 2
Hình 4.3
Mẫu thử tự nhiên
82
83
84
Mẫu thí nghiệm mỏi gỉ
Máy thử mỏi gỉ MG-01 và MG-02 của PTN Viện Kỹ thuật PK-
KQ
Hình 4.4
Đường cong mỏi của hợp kim D16AT trong môi trường không
87
khí và trong dung dịch 3,5% NaCl
11
Trang
88
Hình 4.5
Hình 4.6
Đường cong mỏi của hợp kim D16AT với các mức độ gỉ (%
chiều dày)
Đường cong mỏi D16AT ở sân bay Bạch Mai sau 2 năm và 3
89
năm
Hình 4.7
Hình 4.8
Đường cong mỏi D16AT ở sân bay Yên Bái sau 1 năm và 3 năm
89
90
Đường cong mỏi của D16AT sau 1 năm tại Nha Trang, Đà Nẵng
và Tân Sơn Nhất
Hình 4.9
Đường cong mỏi của D16AT sau 2 năm tại Bạch Mai và Yên Bái
90
91
Hình 4.10 Đường cong mỏi D16AT có phủ chất ức chế và không có chất ức
chế
Hình 4.11 Đường cong mỏi D16AT có bảo quản lau chùi và không bảo
91
quản
Hình 5.1
Hình 5.2
Hình 5.3
Hình 5.4
Lưu đồ thuật toán của chương trình
98
99
Các bước tính toán của chương trình
Giao diện phần mềm với bài bay cơ động cao
Giao diện phần mềm với bài bay cơ động thấp
100
101
12
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Cho đến nay hệ thống khai thác máy bay của Quân chủng Phòng không -
Không quân (PK-KQ), Quân đội nhân dân Việt Nam (QĐNDVN) chủ yếu vẫn được
tổ chức theo phương pháp định kỳ với chế độ khai thác sử dụng và bảo dưỡng, sửa
chữa….theo những quy định của Liên Xô (trước đây) và CHLB Nga ngày nay [28].
Các chế độ, nội dung và khối lượng công tác kỹ thuật được thực hiện theo mức độ
tiêu hao dự trữ kỹ thuật và tuổi thọ của máy bay.
Tuổi thọ của máy bay và định kỳ bảo dưỡng, sửa chữa kỹ thuật được qui định
theo hai thông số chính: giờ bay và niên hạn sử dụng. Khi một trong hai thông số đó
đến giới hạn quy định thì phải dừng khai thác máy bay để đưa vào bảo dưỡng, sửa
chữa hoặc thanh lý. Thông thường đối với các nước tiên tiến, có hệ thống khai thác
hợp lý, tuổi thọ theo giờ bay và theo niên hạn tiêu hao đồng đều, khi máy bay hết
niên hạn sử dụng thì đồng thời cũng được khai thác hết giờ bay.
Tuổi thọ máy bay theo giờ bay và niên hạn sử dụng do Nhà sản xuất máy bay
ấn định. Giá trị đó được tính toán phù hợp với điều kiện khai thác ở nước sản xuất.
Khi máy bay đó được đưa vào khai thác sử dụng ở Việt Nam, do điều kiện khai thác
sử dụng có đặc điểm khác biệt so với điều kiện ở nước sản xuất nên tiêu hao tuổi
thọ thực tế cũng sẽ khác [47].
Hệ thống khai thác máy bay theo định kỳ hiện hành của Quân chủng PK-KQ đã
phát huy hiệu quả tốt trong nhiều thập kỷ qua. Tuy nhiên, ngày nay nó cũng bộc lộ
nhiều bất cập, ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác sử dụng máy bay. Bất cập lớn nhất là
mâu thuẫn giữa tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay và theo niên hạn. Đối với phần lớn các
máy bay trong Quân chủng PK-KQ, tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay thường chậm hơn
so với tiêu hao tuổi thọ theo niên hạn. Do khó khăn về điều kiện đảm bảo và kế
hoạch huấn luyện bay, phần nhiều các máy bay hết hạn sử dụng, trong khi dự trữ
giờ bay vẫn còn 30% đến 40%. Tuy đã tiến hành tăng hạn sử dụng trên cơ sở đánh
giá kỹ thuật của từng máy bay theo các khoảng thời gian nhất định, song toàn bộ hệ
thống khai thác máy bay hiện nay vẫn cơ bản dựa trên nguyên tắc khai thác theo
định kỳ [28,29].
13
Vì vậy, việc đưa ra khái niệm tiêu hao tuổi thọ thực tế, hay là giờ bay quy đổi,
trong đó bao hàm ảnh hưởng của yếu tố giờ bay và yếu tố niên hạn sẽ góp phần giải
quyết bất cập nêu trên.
Tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay là tuổi thọ có tính đến ảnh hưởng của
điều kiện khai thác sử dụng thực tế. Nó đã tính đến ảnh hưởng của các yếu tố giờ
bay và niên hạn nên nó không cần tách ra thành tuổi thọ theo giờ bay và tuổi thọ
theo niên hạn riêng biệt.
Đặc trưng của điều kiện khai thác máy bay ở Việt Nam là khí hậu nhiệt đới
ẩm. Tác động của điều kiện môi trường, khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, tạp chất trong
không khí…) lên vật liệu của máy bay làm tăng tiêu hao tuổi thọ do gỉ, mỏi gỉ và
già hoá. Do chương trình huấn luyện bay, sức khỏe, trình độ và kỹ thuật lái của phi
công, chế độ chịu tải của máy bay cũng khác so với điều kiện thiết kế của Nhà sản
xuất, dẫn đến tiêu hao tuổi thọ thực tế của máy bay cũng sẽ khác so với ấn định.
Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố này, sẽ xác định được tiêu hao tuổi thọ
thực tế của máy bay.
Đề tài “Nghiên cứu phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết
cấu máy bay” được tiến hành với hy vọng góp phần vào việc giải quyết những vấn
đề nêu ra ở trên.
Mục tiêu và nội dung chính của luận án
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng phương pháp xác định tiêu hao
tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay, vận dụng phương pháp này cho phần tử kết
cấu máy bay L-39 là loại máy bay huấn luyện chiến đấu, đào tạo phi công của Quân
chủng PK-KQ.
Nội dung chính của luận án:
- Tổng quan về tuổi thọ kết cấu máy bay và các vấn đề nghiên cứu liên quan;
- Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay
và các yêu cầu cần thiết của nó;
- Xác định tần số tải lặp lên phần tử kết cấu máy bay, làm dữ liệu đầu vào bài
toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế;
- Xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu bằng thực nghiệm, làm dữ liệu
đầu vào bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế;
14
- Lập chương trình và tính toán tiêu hao tuổi thọ thực tế cho phần tử kết cấu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: phần tử vỏ bọc chịu lực mặt dưới gốc cánh máy bay
L-39. Qua khảo sát, đây là phần tử làm từ vật liệu D16AT, chịu tải mỏi kéo xung.
Phần tử này cũng đặc trưng cho các phần tử kết cấu máy bay chiến đấu, có tính cơ
động cao, hệ số quá tải tác dụng lên kết cấu của nó thay đổi từ -1 đến 6 và chịu tác
động trực tiếp của môi trường khí hậu ẩm, bụi, bẩn từ đường băng khi cất, hạ cánh.
Theo thống kê, phần tử này hay hỏng trong quá trình khai thác do bị nứt và gỉ.
- Phạm vi nghiên cứu: Chỉ tiêu đánh giá trạng thái kỹ thuật của kết cấu máy
bay bao gồm: độ bền tĩnh, độ bền động, độ ổn định, độ tin cậy, độ bền lâu, tuổi thọ
mỏi, tuổi thọ mỏi gỉ, độ bền chịu rung, lắc, đàn hồi khí động, các tham số tới hạn....
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn là xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế
của phần tử kết cấu có tính đến ảnh hưởng của điều kiện chịu tải lặp (mỏi) và môi
trường, khí hậu, niên hạn sử dụng (gỉ). Trong khuôn khổ luận án, bài toán xác định
tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu áp dụng cho đối tượng là phần tử vỏ bọc chịu
lực mặt dưới gốc cánh máy bay L-39. Nó cũng có thể được áp dụng để tính toán các
phần tử khác của kết cấu máy bay.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được các nội dung của đề tài, phương pháp được thực hiện trong
luận án là tiến hành khảo sát thực tế hệ thống khai thác máy bay hiện hành, phân
tích làm rõ ưu, nhược điểm của phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ của các
phương pháp khai thác đó. Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ phù
hợp với hoàn cảnh Việt Nam. Lập bài toán và chương trình tính toán, thực nghiệm
phục vụ cho cho việc thực thi phương pháp.
Ảnh hưởng của chế độ chịu tải (bài bay và kỹ thuật lái của phi công) lên tiêu
hao tuổi thọ kết cấu máy bay được đánh giá bằng phân tích số liệu của hệ thống
kiểm tra khách quan hay còn gọi là “hộp đen” lắp trên máy bay.
Ảnh hưởng của điều kiện môi trường khí hậu, niên hạn sử dụng lên tiêu hao
tuổi thọ kết cấu máy bay được đánh giá bằng thực nghiệm mẫu phần tử kết cấu trên
15
máy thử mỏi gỉ của Phòng thí nghiệm máy bay thuộc Viện Kỹ thuật PK-KQ, xây
dựng các đường cong mỏi cho phần tử kết cấu trong các điều kiện khai thác.
Để có số liệu phục vụ xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực
tế của kết cấu máy bay, đã tiến hành khảo sát thực tế tại Trung đoàn Không quân
910, nơi đang khai thác máy bay huấn luyện L-39 là loại máy bay cơ động, huấn
luyện chiến đấu và đào tạo phi công, phân tích số liệu giải mã của hệ thống kiểm tra
khách quan ghi lại các tham số của các chuyến bay, tập trung phân tích tần số lặp
của quá tải đứng ny.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Luận án đã đề xuất và xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực
tế của kết cấu máy bay.
Đề tài đã góp phần giải quyết mâu thuẫn giữa tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay và
theo niên hạn trong hệ thống khai thác máy bay hiện hành. Kết quả đề tài có thể
tham khảo cho khai thác máy bay quân sự, làm cơ sở để tăng hạn sử dụng máy bay
của Quân chủng PK-KQ Việt Nam, đồng thời cũng là tiền đề tiến tới việc khai thác
kết cấu máy bay theo trạng thái, khi tiêu hao tuổi thọ thực tế được xem như một
trong những tham số trạng thái của các phần tử kết cấu.
Những đóng góp mới của luận án
- Luận án đã đề xuất và xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực
tế của kết cấu máy bay. Đây là phương pháp phù hợp và khả thi cho điều kiện khai
thác máy bay quân sự ở nước ta.
- Thông thường, số liệu tự ghi của hệ thống kiểm tra khách quan trên máy bay
(hộp đen) được sử dụng cho mục đích giảng bình sau khi bay, kiểm tra bay và điều
tra tai nạn. Luận án đã sử dụng số liệu này để phân tích chế độ chịu tải lặp của máy
bay, xác định tần số lặp của tải, làm dữ liệu đầu vào cho bài toán tính tiêu hao tuổi
thọ thực tế của máy bay.
- Bằng thực nghiệm, xác định số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ của phần tử kết cấu và
đưa hệ số ảnh hưởng của điều kiện môi trường khí hậu vào bài toán tính tiêu hao
tuổi thọ thực tế.
- Lập được bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu máy bay
16
và tìm được phương pháp giải bài toán đó.
Bố cục của luận án
Luận án gồm mở đầu, 5 chương và kết luận thể hiện trong 111 trang luận án,
31 hình vẽ, 12 bảng biểu và phụ lục.
Chương I: Tổng quan những vấn đề nghiên cứu.
Chương II: Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết
cấu máy bay.
Chương III: Xác định tần số tải lặp lên kết cấu máy bay.
Chương IV: Xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu máy bay.
Chương V: Chương trình tính toán và kết quả.
17
1 CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Những khái niệm chung về tuổi thọ của máy bay và kết cấu máy bay
Các chỉ tiêu đánh giá trạng thái kỹ thuật của kết cấu máy bay bao gồm: độ bền
tĩnh, độ bền động, độ ổn định, độ bền mỏi, độ tin cậy, độ bền lâu, tuổi thọ, độ bền
chịu rung, lắc, đàn hồi khí động, các tham số tới hạn, v.v...
Tuổi thọ là một trong các chỉ tiêu quan trọng bảo đảm cho máy bay hoạt động
lâu dài, được khai thác an toàn và có hiệu quả. Tuổi thọ của máy bay là tính chất
của nó giữ được khả năng làm việc đến tình trạng giới hạn, được xác định từ điều
kiện bảo đảm an toàn bay. Khái niệm tuổi thọ kết cấu máy bay gắn liền với khả
năng chống lại sự lão hóa, tức là chống lại sự tích lũy của tổn thất mỏi, biến dạng
dão, chống lại mòn và gỉ.
Tuổi thọ của máy bay được xác định trên cơ sở tuổi thọ của kết cấu khung vỏ.
Kết cấu khung vỏ chính là cơ sở hình thành nên máy bay. Khi kết cấu khung vỏ còn
giữ được khả năng làm việc, thì tất cả các máy móc, thiết bị, hệ thống lắp trên nó có
thể sữa chữa hoặc thay thế trong những trường hợp cần thiết. Còn khi khung vỏ đã
hết thời hạn làm việc (tuổi thọ) thì máy bay bị loại bỏ 3.
Vòng đời của máy bay đều trải qua ba giai đoạn đó là thiết kế, chế tạo và khai
thác sử dụng (KTSD). Quá trình KTSD bắt đầu từ khi máy bay được xuất xưởng và
kết thúc khi chúng được thanh lý. Quá trình KTSD dài hơn hàng chục lần thời gian
thiết kế, chế tạo và chiếm khoảng 70% đến 80% tổng chi phí cho một vòng đời của
máy bay 45.
Tuổi thọ máy bay phụ thuộc vào khả năng chống lại sự lão hóa, tức là chống
lại sự tích lũy của ứng suất mỏi và biến dạng dão, mòn và gỉ kết cấu. Ảnh hưởng
lớn nhất đến tuổi thọ là ứng suất mỏi, sinh ra do tác động của tải lặp.
Đối với mỗi máy bay, do công nghệ chế tạo không đồng đều và do chế độ khai
thác khác nhau, nên tuổi thọ cũng khác nhau. Vì vậy, với mỗi loại máy bay, người
ta đưa ra chỉ số tuổi thọ bảo đảm và tuổi thọ trung bình. Tuổi thọ bảo đảm Tbđ và
18
tuổi thọ trung bình Ttb được xác định nếu biết quy luật phân bố xác suất hỏng của
quá trình phá hủy kết cấu.
Đối với máy bay, không phải tất cả các thành phần, hệ thống cấu thành của nó
có chung một giá trị tuổi thọ, mà mỗi thành phần, hệ thống, bộ phận có tuổi thọ
riêng và các chỉ tiêu đánh giá tuổi thọ cũng khác nhau. Ví dụ, tuổi thọ kết cấu máy
bay thường được xác định theo giờ bay, niên hạn sử dụng; tuổi thọ càng máy bay
được tính theo số lần cất hạ cánh; tuổi thọ săm lốp máy bay được tính theo độ mài
mòn và năm bảo quản, sử dụng; tuổi thọ động cơ được tính theo giờ nổ máy hoặc
thời gian mà các tham số chính của động cơ chưa thay đổi đến giới hạn cho phép;
tuổi thọ của hệ thống VTĐT, thông tin liên lạc được tính theo độ tin cậy, tần suất
hỏng hóc của các linh kiện...... Thường thường thì tuổi thọ kết cấu khung vỏ có giá
trị cao nhất. Trong một vòng đời của máy bay (hay kết cấu khung vỏ) có thể thay
thế một số động cơ, càng, săm lốp, bơm, van, khóa, các khối rời của thiết bị điện, vô
tuyến điện tử và thông tin liên lạc.
Tương ứng với các chỉ tiêu đánh giá trạng thái kỹ thuật như độ tin cậy sử
dụng, tuổi thọ, các tham số tới hạn và khả năng kiểm soát nó trong quá trình khai
thác mà khung vỏ, động cơ và hệ thống của máy bay có thể được áp dụng các
phương pháp khai thác khác nhau như khai thác theo định kỳ, khai thác theo trạng
thái có kiểm soát độ tin cậy, khai thác theo trạng thái có kiểm soát tham số.
Đối với các máy bay quân sự của Quân chủng PK-KQ, các hệ thống trên máy
bay đã từng bước được khai thác theo trạng thái bằng hình thức sửa chữa thay thế
cụm khi các chỉ tiêu độ tin cậy hoặc các tham số làm việc đạt giá trị tới hạn. Riêng
đối với kết cấu khung vỏ, cho tới nay vẫn được khai thác theo phương pháp định kỳ,
kết hợp kiểm tra tăng hạn (tăng hạn giữa các lần sửa chữa và tăng tổng hạn).
Khả năng thực hiện các chức năng của máy bay phụ thuộc vào trạng thái kỹ
thuật của chúng. Dưới tác động của các yếu tố môi trường, quá trình ăn mòn, già
hoá, phá huỷ sinh học diễn ra thường xuyên làm cho trạng thái của máy bay luôn
biến đổi theo xu hướng ngày càng kém hơn, cho tới khi xảy ra hỏng hóc. Để duy trì
và hồi phục khả năng làm việc, cần tiến hành bảo dưỡng và sửa chữa hồi phục
chúng.
19
Tương tự như các máy móc khác, máy bay trong quá trình khai thác sử dụng
được đặc trưng bằng các tính chất cơ bản: độ tin cậy sử dụng, độ bền lâu, độ sống
còn và tính công nghệ trong khai thác sử dụng [5,39].
Về độ tin cậy sử dụng: Độ tin cậy sử dụng là tính chất của máy bay thực hiện
được các chức năng, duy trì được các chỉ tiêu kỹ thuật trong các giới hạn đã được
thiết lập sau một khoảng thời gian hoặc sau khi thực hiện một khối lượng công việc
quy định. Độ tin cậy sử dụng của máy bay thông thường được đánh giá bằng các chỉ
tiêu sau:
Đối với các thành phần, hệ thống của máy bay không sửa chữa hồi phục được,
các chỉ tiêu để đánh giá độ tin cậy sử dụng 45 là:
- Thời gian hoạt động trung bình trên một hỏng hóc:
n
1
n i
ttb
t
(1.1)
i1
Trong đó:
ti - Thời gian hoạt động đến hỏng hóc;
n - Số lượng máy bay khai thác sử dụng.
- Xác suất làm việc không hỏng sau khoảng thời gian t:
P(t)= 푁
(1.2)
(푡)
푛
Trong đó: N(t) - Số phần tử trong dẫy: t1, t2, t3, t4 hoặc là số máy bay còn lại sau
khoảng thời gian hoạt động t có khả năng thực hiện các chức năng quy định.
Rõ ràng từ công thức (1.2), độ tin cậy làm việc không hỏng có thể tiến tới giá
trị 0 khi thời gian hoạt động kéo dài.
- Cường độ hỏng hóc:
N(t) N(t t)
t
(1.3)
tN(t)
Còn đối với các thành phần, hệ thống của máy bay sửa chữa phục hồi được,
các chỉ tiêu để đánh giá độ tin cậy sử dụng 45 là:
- Số hỏng hóc trung bình sau khoảng thời gian hoạt động t:
N
m (t)
i
i1
(1.4)
mtb (t)
N
20
- Dòng hỏng hóc:
(t)
N
N
m (t t) m (t)
i
i
i1
i1
(1.5)
N
Về độ bền lâu: Độ bền lâu là tính chất của máy bay duy trì khả năng hoạt động
theo chức năng đến trạng thái giới hạn trong điều kiện được bảo dưỡng và sửa chữa
phục hồi cần thiết. Trạng thái giới hạn của máy bay là trạng thái không thể khai thác
sử dụng tiếp tục được nữa do không đáp ứng yêu cầu an toàn bay hoặc do không
còn hiệu quả sử dụng nữa.
Độ bền lâu của máy bay được đánh giá bằng các chỉ tiêu về tuổi thọ kỹ thuật
và niên hạn sử dụng.
Tuổi thọ kỹ thuật: Tuổi thọ kỹ thuật là khoảng thời gian hoạt động hoặc khối
lượng công việc được thực hiện của máy bay đến trạng thái giới hạn của nó. Chúng
được thể hiện bằng: số giờ bay, số lần cất cánh và niên hạn sử dụng, thời hạn cất giữ
bảo quản. Thực tế, tuổi thọ của máy bay được hiểu như độ dự trữ an toàn của máy
bay, được tính toán ngay từ giai đoạn thiết kế, chế tạo trên cơ sở sơ đồ cấu trúc, các
số liệu thống kê về vật liệu của các phần tử cấu thành, về tác dụng cũng như về các
điều kiện khai thác của máy bay tương tự. Trong trường hợp không đầy đủ, các số
liệu thống kê cần tiến hành đánh giá bằng thực nghiệm khảo sát thăm dò. Ấn định
tuổi thọ thường ứng với một xác suất nhất định nào đó, vì thế tuổi thọ trong một số
tài liệu thường dùng khái niệm “tuổi thọ trung bình” hoặc “thời hạn sử dụng trung
bình”. Đối với máy bay, có tuổi thọ ấn định, tuổi thọ giữa hai lần sửa chữa và thời
hạn bảo hành.
Tuổi thọ ấn định: Tuổi thọ ấn định là số giờ bay hoặc niên hạn sử dụng của
máy bay, mà khi đạt được giá trị đó thì không được phép tiếp tục khai thác sử
dụng máy bay, không phụ thuộc vào trạng thái kỹ thuật của máy bay lúc đó. Tuổi
thọ ấn định của máy bay được xác định trên cơ sở an toàn bay, hiệu quả sử dụng
và tính kinh tế. Ví dụ, đối với máy bay MiG-21Bis tuổi thọ ấn định là 2.500 giờ
bay hoặc 25 năm, đối với máy bay L-39 con số đó là 4.500 giờ bay hoặc 25 năm
25,26.
Tải về để xem bản đầy đủ
112 trang
12340
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay - Lê Nguyên Cường", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_an_nghien_cuu_phuong_phap_xac_dinh_tieu_hao_tuoi_tho_th.pdf
