Углепластики в панелях пола трехслойной конструкции

ВИАМ/1978-197531
Углепластики в панелях пола
трехслойной конструкции
М.И. Душин
А.М. Ермолаев
И.Я. Катырев
П.Н. Недойнов
М.А. Павлова
Б.В. Перов
Б.Д. Суворов
Е.П. Толстобров
Январь 1978
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
в
журнале
«Авиационная промышленность», № 6, 1978 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Углепластики в панелях пола трехслойной конструкции
М.И. Душин, А.М. Ермолаев, И.Я. Катырев, П.Н. Недойнов,
М.А. Павлова, Б.В. Перов, Б.Д. Суворов, Е.П. Толстобров
Конструкции с применением композиционных материалов (КМ) в
большинстве случаев на 20–30% легче аналогичных металлических
конструкций. Однако из-за недостаточной изученности и высокой стоимости
КМ, малого опыта проектирования, изготовления и эксплуатации таких
конструкций новые материалы внедряются поэтапно, в порядке увеличения
сложности конструкций, их нагруженности и ответственности. В настоящее
время проводятся исследования и внедрение несиловых вспомогательных
агрегатов.
Одной из несиловых вспомогательных конструкций в пассажирских
самолетах является пол пассажирских салонов, площадь (а значит и масса)
которого,
особенно
в
широкофюзеляжных
самолетах,
составляет
значительную величину. Так, у 200-местных магистральных самолетов
площадь пола превышает 100 м2, у самолетов местных воздушных линий с
числом мест от 24 до 80 площадь пола составляет 14–45 м2.
В общем случае панели пола, применяемые в большинстве выпускаемых
отечественных самолетов (Ил-18, Ил-62, Ан-24, Ту-144, Ту-154, Як-40 и др.),
выполнены трехслойными, с фанерной или стеклопластиковой (КАСТ-В)
обшивкой и пенопластовым заполнителем. Средняя масса 1 м2 применяемых
панелей пола из указанных материалов колеблется в пределах 4,2–5,6 кг в
зависимости от места установки в салоне. Предварительные исследования
возможности замены используемых материалов углепластиком КМУ-3л,
стеклопластиками КАСТ-ВС и СТП-6 показали, что масса панелей пола
может быть снижена примерно на 25–35% при сохранении несущей
способности и жесткостных характеристик.
Аналогичные работы по внедрению конструкционных материалов типа
углепластиков проводятся и за рубежом. Например, фирма «Роллс-Ройс»
(Англия) изготовила и установила на самолете «Боинг 747» образцы панелей
пола размером 3,05×1,22 м, в которых обшивки выполнены из двухслойного
углепластика толщиной 0,25 мм, а бальзовый заполнитель заменен
найлоновым сотовым. Масса 1 м2 углепластиковых панелей составляет
2,67 кг против 4 кг – для панелей с алюминиевыми обшивками и бальзовым
заполнителем; долговечность панелей увеличилась с 3000 до 20000 л. ч. При
среднегодовом налете самолета «Боинг 747» 4200 ч, время эксплуатации
углепластиковых панелей пола составляет приблизительно 5 лет.
Перспектива повышения эффективности панелей пола путем снижения
массы и увеличения долговечности при использовании КМ и новых сотовых
заполнителей
выдвинула
задачу
проведения
широких
исследований
трехслойных сотовых панелей из КМ, их унификации для всех пассажирских
салонов и внедрения в промышленность.
Технологический процесс изготовления образцов трехслойных сотовых
панелей сводится к подготовке обшивок и сотового заполнителя к
склеиванию панелей.
При подготовке к склеиванию обшивки предварительно разрезали на
заготовки в соответствии с размерами панелей и зачищали наждачной
бумагой. Заготовки сотового заполнителя вырезали из блока предварительно
растянутых и обрезанных по высоте сотов. Для склеивания использовали
пленочный клей ВК-24М, который был выбран по результатам прочностных
испытаний соединений, выполненных различными клеями. Предварительно
вырезанную клеевую пленку прикатывали к обшивкам роликом, нагретым до
50–60°С (защитный слой полиэтилена с клеевой пленки перед прикаткой
снимали). Затем пакет панели собирали в приспособлении для склейки,
помещали в мешок для вакуумирования, склеенный из ткани 500 клеем
88НП, и в этом мешке – в термошкаф. Штуцер мешка подсоединяли к
вакуумной системе, включали обогрев и проводили вакуумирование при
0,96–0,99 кгс/см2. После 1,5-часовой выдержки при 175°С обогрев
термошкафа отключали и проводили охлаждение под вакуумом до 40–50°С с
последующей разгерметизацией и естественным охлаждением до нормальной
температуры. Склеенные панели подвергали механической обработке –
обрезке торцов и разрезке на образцы нужного размера для испытаний.
Исследования трехслойных сотовых панелей на поперечный изгиб (как
балок) проводили на образцах размерами в плане 75×400 мм, нагружавшихся
по четырехточечной схеме. Расстояние между опорами 360 мм, нагрузку
прикладывали на расстоянии 90 мм от опор. Обшивки образцов панелей
были изготовлены из углепластика КМУ-3л, стеклотекстолитов СТП-6 и
КАСТ-ВС, органитов ВВП-3 и 7Т. Для повышения качества склеивания
углепластика КМУ-3л с сотовым заполнителем на него в процессе
изготовления
напрессовывали
слой
стеклоткани
Э-0,06.
В
качестве
заполнителей использовали соты ПСП-2 из полимерной бумаги «номекс»
(ТУ 1-595-7–74) и металлические соты АМг2Н.
Испытания
на
поперечный
изгиб
проводили
под
действием
кратковременной нагрузки, прикладываемой ступенчато, с измерением
деформаций (прогиба в центре панелей и осадки в опорах). Общий прогиб
панели может быть записан в виде
WΣ = Wизг + Wсдв =
11Pl 3
Pl
,
+
384 D 4 F ′G
где W изг , W сдв – прогиб от действия изгиба и сдвига; Р – нагрузка на панель;
l – расстояние между опорами; G – модуль сдвига заполнителя в плоскости
E1δ1 E2 δ 2 H 2 b
YZ; D =
E1δ1 + E2 δ 2
–
изгибная жесткость панели; F′=b[ Н +(δ 1 +δ 2 )/2] –
редуцированная площадь поперечного сечения при сдвиге; Е 1 , Е 2 – модули
упругости материала верхней и нижней обшивок в направлении оси Y; δ 1 , δ 2
– толщина верхней и нижней обшивок; Н – расстояние между срединными
поверхностями обшивок; b – ширина панели.
В процессе испытаний общий прогиб панели определяют по формуле
W Σ =Wц -0,5(W 1 +W 2 ), где W ц – прогиб панели в центре, т.е. при l/2; W1 , W2 –
осадка панели по опорам.
Результаты испытаний образцов панелей на поперечный изгиб приведены
в табл. 1, где даны также расчетные значения прогибов и изгибной
жесткости. Напряжения в обшивках и в заполнителе при разрушающей
нагрузке определялись по формулам
δ1, 2 =
PlE1, 2
4D
(H / 2 − Z 0 ) ; τ =
P
,
Hb
где Z 0 – смещение центра жесткости от срединной поверхности панели,
определяемое
ζ=
по
формуле
[
] [
Z0
1 1 E1ζ 2 + E3 (1 − η) − ζ 2 + E2 1 − (1 − η)
=− +
H
2 2
E1ζ + E2 η + E3 (1 − ζ − η)
2
2
]
;
δ1
δ
, η = 2 – относительная толщина внешних слоев; Н – общая толщина
H
H
панели; Е 3 – модуль упругости заполнителя.
Таблица 1.
Результаты испытаний образцов
трехслойных панелей на поперечный изгиб
Верхняя
обшивка
δ1,
мм
δ 2 , Заполнитель Н,
мм
мм
КМУ-3л
0,98 0,37
КМУ-3л+ 0,69 0,38
+асбестовый
0,40
слой
КМУ-3л+SiC 0,67 0,33
АМг2Н
-«ПСП-2
0,40
0,63 0,40
ПСП-2
-«-
0,79 0,40
0,84
0,43
0,90
0,60
КМУ-3л+
+Э-0,06*
КМУ-3л+
+ТС-8/3–250*
СТП-6
КАСТ-ВС*
7Т*
ВВП-3
0,40
0,40
0,40
0,40
АМг2Н
Эксперимент
2Р,
σ1
σ2
τ
W,
D,
дан дан/мм2 (107 Па) мм дан/мм2
9,0 105 -2,74 5,04 8,29 8,26
9,32
9,5 85 -2,06 3,65 6,32 7,0
9,81
9,7 86 -2,06 3,55 6,31 10,4
–
Расчет
W изг W сдв
мм
7,37 0,46
5,79 0,36
5,89 3,03
7,84
6,15
8,96
9,9
9,8
9,8
10,0
6,49
13,21
8,63
9,95
90
193
89
140
7,2
10,05
9,2
9,2
10,02
–
10,60
11,28
6,13
12,89
5,60
8,27
-«-
9,8 146 -3,01 5,96 10,59 10,60
11,77
8,27 1,79 10,06
-«-«-«-«-
9,4
9,7
9,83
10,0
8,42
6,31
7,87
5,25
6,91
12,16
11,33
9,17
87
115
118
72
-2,14
-4,91
-2,15
-3,52
-1,76
-4,31
-3,15
-1,89
4,35
9,39
3,61
5,54
3,70
4,64
4,72
2,83
6,98
13,77
6,41
9,85
6,57
8,24
8,39
5,03
11,9
13,8
13,5
19,6
0,36
0,37
3,03
1,68
WΣ
3,07
1,41
1,44
2,40
9,98
13,56
11,42
11,57
Примечание. Прочностные и жесткостные характеристики сотовых заполнителей:
АМг2Н с d=0,055 г/см3 – τ YZ =8,4 дан/см2 (105 Па), τ XZ =15,5 дан/см2 (105 Па), G YZ =15,1 дан/см2 (107 Па),
G XZ =31,5 дан/см2 (107 Па); ПСП-2 с d=0,050 г/см3 – τ YZ =6,5 дан/см2 (105 Па), τ мин =4,7 дан/см2 (105 Па),
τ XZ =9,5 дан/см2 (105 Па), τ мин =8,0 дан/см2 (105 Па), G YZ =1,8 дан/см2 (107 Па), G XZ =5,0 дан/см2 (107 Па).
Звездочкой обозначены образцы со схемой ориентации заполнителя поперек растяжки сотов.
Как видно, результаты испытаний хорошо совпадают с расчетными.
Разрушение образцов во всех случаях произошло от сдвига заполнителя.
Местную прочность возможных вариантов трехслойных панелей пола
при сосредоточенной нагрузке «на каблук» исследовали на образцах
размерами в плане 250×250 мм. В качестве материалов верхней обшивки
были рассмотрены КМУ-3л, КАСТ-ВС, СТП-6, Т7 и ВВП-3. Нижнюю
обшивку во всех образцах изготовляли из двухслойного углепластика
КМУ-3л с укладкой слоев 0/90 град (1:1); со стороны, подвергаемой
склеиванию, была напрессована стеклоткань Э-0,06. Сотовый заполнитель имел
постоянную высоту (8,7 мм). Исследовались заполнители ПСП-2 (сторона
ячейки 2,5 мм, плотность 0,050 г/см3) и АМг2Н (2,5 мм и 0,055 г/см3). Нагрузку
на образец прикладывали через цилиндрический стержень диаметром 11,3 мм с
фаской 0,5 мм.
Разрушение образцов происходило, в основном, при нагрузке более 150 дан,
за исключением образцов панелей с верхними обшивками из КМУ-3л.
Испытания натурных образцов панелей пола проводили при двух видах
нагружения: равномерно распределенной нагрузкой и сосредоточенной
нагрузкой Р 1 , прикладываемой на площадке в центре панели. Размеры
образцов: 500×500 мм с площадкой приложения нагрузки 200×200 мм и
350×600 мм с площадкой приложения нагрузки 200×240 мм. Образцы
нагружали через деревянные бобышки, имитирующие ступню человека.
Нагрузку прикладывали ступенчато с измерением прогибов в центре панели.
Исследуемые варианты материалов верхней обшивки: КМУ-3л, СТП-6,
КАСТ-В, 7Т, ВВП-3, нижней обшивки – КМУ-3л, СТП-6, КАСТ-В и 7Т. В
качестве заполнителя использовали соты ПСП-2 плотностью 0,050, 0,054,
0,061 и 0,070 г/см3. Образцы нагружали на рамах с шириной полок 15 мм,
имитирующих профили крепления панелей в самолете.
Результаты испытаний приведены в табл. 2, в которой также даны
расчетные значения жесткостей и прогибов. Максимальная величина
прогибов при действии сосредоточенной силы Р 1 =200 дан на прямоугольной
площадке размером 200×200 мм в большинстве случаев не превышала 0,01а
(а – меньший размер клетки панели между опорами). Все образцы
разрушались при нагрузке, превышающей расчетную, равную 300 дан, и
составляющей
примерно
1,5–3
P1.
Характер
разрушения:
поднятие
заполнителя под кромками бобышек, сдвиг заполнителя или разрушение
нижней углепластиковой обшивки.
Таблица 2.
Результаты испытаний натурных образцов
панелей пола на сосредоточенную нагрузку
Верхняя обшивка
Нижняя обшивка
Расчет
Испытания
материал толщина, мм материал толщина, мм D 1 , кН·см D 2 , кН·см D к , кН·см W 1 , мм
W, мм
ВВП-3
0,68
КМУ-3л
0,36
70,06
70,06
7,14
4,38
4,40
КМУ-3л+7Т
0,45
-«0,35
84,00
84,00
8,16
3,81
3,85
КМУ-3л
0,47
-«0,34
105,40
105,40
8,64
3,15
4,28
7Т
0,67
-«0,36
99,82
99,82
7,74
3,24
3,70
7Т
0,56
7Т
0,40
69,91
69,91
6,21
4,49
3,92
СТП-6
0,80
СТП-6
0,40
80,50
53,19
7,43
4,52
5,40
-«0,60
-«0,40
62,50
41,20
7,42
5,81
6,30
-«0,60
КМУ-3л
0,40
91,04
72,86
9,36
4,06
5,20
-«0,80
-«0,40
109,00
89,82
10,85
3,30
2,80
Примечание. Вариант 1: размеры панелей 500×500 мм, площадки 200×200 мм, рамы 470×470 мм, Р 1 =200
кгс; сотовый заполнитель ПСП-2 (γ=0,054 г/см3, h=8,7 мм).
Вариант 2: размеры панелей 550×600 мм, площадки 200×240 мм, рамы 520×570 мм, Р 1 =210 кгс; сотовый
заполнитель ПСП-2 (γ=0,05 г/см3, h=8,7 мм).
Эффективность применения КМ оценивали на панелях пола самолета
Ил-62 размером 500×775 мм. При расчете толщин обшивок из условия
действия равномерно распределенной по всей площади панели нагрузки
q=3100 дан/м2 (31000 Па) использовали решение Навье по методу двойных
рядов.
Толщину обшивок определяли из условия действия сосредоточенной
нагрузки P1=300 дан, прикладываемой в центре панели на прямоугольной
площадке 200×200 мм, W=7,5 мм при P1=200 дан и Н≤10 мм. Для данной задачи
использовали решение Тимошенко по методу одинарных рядов. Как показали
расчеты, для удовлетворения данных требований панель должна иметь
изгибную жесткость в направлении короткой стороны не менее 90 кН·см2. Из
этого условия были определены потребная толщина и масса обшивок
единичной площади. Как видно из табл. 3, масса обшивок будет минимальной
при комбинировании следующих материалов: нижняя обшивка из КМУ-3л, а
верхние – из КАСТ-ВС и СТП-6, органита 7Т и углепластика КМУ-3л.
Таблица 3.
Материал обшивки
КМУ-3л
КМБ-1м
7Т
СТП-6
КАСТ-ВС
КАСТ-В
ВВП-3
БП-1
Результаты расчета необходимой толщины обшивок
Е 1 , кгс/мм2
δ, мм
Масса обшивки, кг/м2
6450
0,30
0,40
14200
0,13
0,27
3500
0,57
0,71
3050
0,65
1,17
3200
0,62
1,15
2000
1,06
1,96
1850
1,52
1,67
1200
2,34
2,02
Примечание. Размеры панелей 500×775 мм.
Сотовый заполнитель рассчитывали из условия действия равномерно
распределенной нагрузки q=3100 дан/м2 (31000 Па). Были рассмотрены три
вида заполнителей: ПСП-2, ССП и АМг2Н. Результаты расчета приведены на
рис. 1 в виде графиков зависимости потребной плотности и параметра λ от
высоты сотового заполнителя.
Здесь
λ=
δ с.з
,
r 3
где δ с.з – толщина материала фольги сотового заполнителя; r – сторона
шестигранной ячейки.
Рисунок 1. Зависимость плотности заполнителей ПСП-2 (а),
ССП (б) и параметра λ заполнителя АМг2Н (в) от высоты:
1 – δ=0,2 мм; 2 – δ=0,4 мм; 3 – δ=0,6 мм
Результаты сравнения выбранных заполнителей по массе показаны на
рис. 2, из которого следует, что при высоте сотового заполнителя 7 мм и более
наименьшую массу имеет заполнитель ПСП-2, затем идет стеклопластик ССП и
далее – АМг2Н. Проверку сотового заполнителя и обшивок из условия
обеспечения местной прочности проводили при действии сосредоточенной
нагрузки Р «на каблук», величину которой принимали для подкресельных
панелей равной 120 дан, а для остальных – 180 дан. Результаты расчета
приведены на рис. 3 в виде графиков изменения потребной толщины
обшивок в зависимости от плотности сотового заполнителя. Рассмотрены
обшивки из углепластика КМУ-3л, стеклопластиков СТП-6 и КАСТ-ВС и
органита 7Т. Высота сотового заполнителя во всех случаях принята
одинаковой и равной 8,7 мм. Для оценки весовой эффективности
рассматриваемых вариантов обшивок и заполнителя на рис. 4 показано
изменение массы, обусловленное изменением потребной толщины обшивок и
плотности заполнителя. Во всех случаях наименьшую массу имеют обшивки
из органита 7Т, затем следуют стеклопластики КАСТ-ВС и СТП-6 и
углепластик КМУ-3л.
Рисунок 2. Зависимость плотности заполнителей ПСП-2 (1),
ССП (2) и АМг2Н (3) от высоты при δ 0 =0,2 мм
Рисунок 3. Зависимость толщины обшивок из материала 7Т (1),
КАСТ-ВС (2), СТП-6 (3) и КМУ-3л (4) от плотности заполнителя
при нагрузке 180 (а) и 120 кгс (б)
Рисунок 4. Зависимость суммарной массы сотового заполнителя
и обшивок от плотности заполнителя при нагрузке 180 (а) и 120 кгс (б):
1 – 7T; 2 – КАСТ-ВС; 3 – СТП-6; 4 – КМУ-3л
Проведенные расчеты панелей на все виды нагружения показали, что
критическими являются Р 1 с ограничением по прогибу и сосредоточенная
нагрузка Р «на каблук», которые и определяют выбор параметров сотового
заполнителя и обшивок. Для панелей, расположенных в нагруженных зонах
салона, т.е. для панелей прохода, а также багажных и служебных помещений
в качестве материала верхней обшивки могут быть использованы в порядке
незначительного увеличения массы органит 7Т, стеклопластики КАСТ-ВС и
СТП-6 толщиной 0,6 мм, а для нижней обшивки – углепластик КМУ-3л
толщиной 0,3–0,35 мм во всех вариантах. В подкресельных панелях для
верхней обшивки также могут быть использованы материалы 7Т, КАСТ-ВС и
СТП-6 толщиной 0,3–0,4 мм, а для нижней – углепластик КМУ-3л толщиной
0,25–0,3 мм. Рациональная плотность заполнителя ПСП-2 в случае
применения указанных материалов колеблется от 0,05 до 0,08 г/см3. Если
принять, что площади облегченных и усиленных панелей в салоне
одинаковы, то среднее снижение массы 1 м2 панелей из углепластиков для
самолета Ил-62 составит приблизительно 1,8–2,1 кг, что дает при площади
пола салонов 102 м2 экономию около 180–210 кг. Пол самолета Ту-154
выполнен аналогично полу Ил-62, т.е. с фанерными обшивками и
пенопластовым заполнителем. При площади пола 92,8 м2 общее снижение
массы составит 165–190 кг. Общее снижение массы панелей пола в самолете
Ту-144 – 80–100 кг при площади пола 80,5 м2.
Проведенная
работа
позволила
выбрать
материалы
и
создать
трехслойную конструкцию панелей пола с сотовым заполнителем. При этом
учитывались требования к прочности и жесткости, массе, горючести,
стоимости, а также наличие промышленного выпуска материалов. Панели
пола внедрены в самолетах Ил-86 и Як-42, что позволило снизить их массу
на 400 и 100 кг. Во внедренных конструкциях панелей применены
следующие материалы: стеклотекстолит КАСТ-ВС в качестве верхней
обшивки, трудносгорающий углепластик КМУ-3лн в качестве нижней
обшивки, сотопласт ПСП-2 в качестве легкого заполнителя (в настоящее
время заменен трудносгорающим сотопластом ПСП-1), пленочный клей
ВК-24М, заливочная паста ВПЗ-1 в качестве композиции для заделки торцов
и мест установки крепежа.