Исследователи Пермского национального исследовательского политехнического университета изучили влияние вмятин и царапин на прочность и долговечность стеклопластика, который широко используется в авиации благодаря лёгкости, невысокой стоимости и устойчивости к коррозии.
Как сообщили ТАСС в Минобрнауки РФ, результаты помогут точнее определять, когда повреждённую деталь нужно менять, а когда можно эксплуатировать дальше, экономя ресурсы без потери безопасности.
Существующие методы контроля фиксируют дефект, но не могут предсказать, сколько ещё прослужит повреждённая деталь. Конструкторы закладывают завышенные запасы прочности, из-за чего самолёты получаются тяжелее, тратят больше топлива и сильнее загрязняют воздух, а перелёты становятся дороже.
В ходе испытаний на реальных авиационных нагрузках учёные выяснили, что царапины почти не влияют на прочность: образец с царапиной порвался при той же нагрузке, что и целый. Однако вмятины оказались гораздо опаснее. Слабая вмятина снизила прочность на 17 процентов, средняя — на 25, сильная — на 30 процентов. Это значит, что если целая деталь была рассчитана на нагрузку 100 килограммов, то с сильной вмятиной она выдержит только 70.
При этом царапины и вмятины не снизили жёсткость материала: повреждённый образец сопротивлялся изгибу так же, как целый. Это важный и тревожный вывод: если проверять деталь на упругость, пытаясь согнуть, нельзя заметить, что она повреждена. Деталь может казаться исправной, но её ресурс уже снижен.
Когда образцы многократно нагружали и разгружали, имитируя взлёты и посадки, целый образец выдержал более 5 тысяч циклов. Царапина сократила ресурс почти вдвое — до 2 800 циклов. Образец с сильной вмятиной выдержал всего 368 циклов, что на 93 процента меньше, чем у целого. Деталь с сильной вмятиной служит в 14 раз меньше: если целая деталь проработает 14 лет, повреждённая сломается через год.
Выяснилось также, что слабая вмятина сильнее всего вредит при долгой спокойной работе, когда нагрузок много, но они небольшие — как у пассажирского самолёта, который летает каждый день. В таком режиме деталь со слабой вмятиной выдерживает в четыре 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.
Результаты исследований позволят инженерам точнее определять допустимые пределы повреждений, опираясь на количественные оценки: сколько именно циклов выдержит деталь с конкретным дефектом при конкретном режиме эксплуатации. Это даст возможность снижать вес самолётов, а значит, расход топлива и выбросы, а также продлевать реальный срок службы деталей. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
