Tài liệu Nghiên cứu phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay

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 Lời cam đoan ………………………………………………………….. 2 Lời cảm ơn ……………………………………………………............ 3 Các chữ viết tắt ………………………………………………………… 7 Các ký hiệu sử dụng …………………………………………………… 8 Danh mục các bảng ……………………………………………………. 9 Danh mục các hình vẽ, đồ thị …………………………………………. 10 Mở đầu ……………………………………………………………….. 12 Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ………………........... 17 1.1 Những khái niệm chung về tuổi thọ máy bay và kết cấu máy bay…….. 17 1.2 Phương pháp xác định tuổi thọ của kết cấu máy bay trong hệ thống khai thác hiện hành ……………………………………………………. …. 22 1.3 Một số khái niệm về mỏi và mỏi gỉ kết cấu máy bay ………………… 27 1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu lĩnh vực độ tin cậy và tuổi thọ kết cấu máy bay ……………………………………………………………. 36 1.5 Tổng quan về nghiên cứu giải mã các tham số bay trên hệ thống kiểm tra khách quan của máy bay……………………………………………. 39 1.6 Tổng quan về máy bay và kết cấu máy bay L-39…………………….. 40 1.7 Kết luận chương I ……………………………………………………. 42 Chương II: Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay ………………………………………………. 44 2.1 Sự cần thiết phải xây dựng phương pháp ……………………….. 44 2.2 Cơ sở khoa học để xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay ……………………................................... 45 2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu hao tuổi thọ các phần tử kết cấu máy bay ……………………………………………………………………. 46 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 ……………………………….……… 54 5 Trang 2.3 Nội dung cơ bản của phương pháp và bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế ………………………………………………………………….. 55 2.4 Một số yêu cầu để áp dụng phương pháp ……………………………… 57 2.5 Kết luận chương II ……………………………………………………... 59 Chương III: Xác định tần số tải lặp lên kết cấu máy bay ………… 60 3.1 Đặt vấn đề ……………………………………………………………… 60 3.2 Phương pháp mô phỏng để xác định tần số tải lặp lên kết cấu ………... 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 Giới thiệu hệ thống ……………………………………………………. 68 3.3.1 3.3.2 Hệ thống chương trình và sản phẩm giải mã khách quan …………….. 70 3.3.3 Chương trình tính tần số tải lặp lên phần tử kết cấu ……….………….. 71 3.4 Kết quả phân tích, xác định tần số tải lặp lên phần tử kết cấu máy bay 75 3.5 Kết luận chương III ……………………………………………............ 77 Chương IV: Xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu máy bay 78 4.1 Đặt vấn đề …………………………………………………………… 78 4.2 Phương pháp nghiên cứu ………………………………………………. 79 4.3 Thiết bị thử mỏi gỉ ………………………………………...…………… 84 4.4 Kết quả thí nghiệm xây dựng các đường cong mỏi gỉ ……...…………. 87 4.5 Sử dụng đồ thị các đường cong mỏi để tính toán số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ kết cấu ………………………………………………………….. 91 4.6 Kết luận chương IV……..……………………………………………... 96 Chương V: Chương trình tính toán và kết quả …………………….. 97 5.1 Cơ sở xây dựng chương trình ………………………………………….. 97 5.2 Lưu đồ thuật toán của chương trình phần mềm ……………………….. 98 5.3 Các bước tính toán chương trình ………………………………………. 99 5.4 Kết quả tính toán ………………………………………………………. 101 5.5 Kết luận chương V……………………………………………………... 102 6 Trang Kết luận chung …………….………………………………………….. 104 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………. 106 Danh mục các công trình đã được công bố …………………………. 111 Phụ lục…………………………………………………………………. 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 ‫(ג‬t) - 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 σmax - 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 40 Bảng 2.1 Mức độ ăn mòn khí quyển đối với hợp kim D16AT, tính bằng mg 49 Bảng 3.1 Tần số lặp của tải cho bài bay cơ động cao 75 Bảng 3.2 Tần số tải lặp cho bài bay cơ động trung bình 76 Bảng 3.3 Tần số tải lặp cho bài bay cơ động thấp 76 Bảng 4.1 Thành phần hóa học và giới hạn bền của hợp kim nhôm D16AT và B95 79 Bảng 4.2 Hệ số ảnh hưởng i ở các vùng khí hậu 92 Bảng 4.3 Số chu kỳ phá huỷ mỏi của phần tử kết cấu 95 Bảng 4.4 Số liệu so sánh kết quả tính chu kỳ phá hủy mỏi 95 Bảng 5.1 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động thấp (nymax= 1,8) 102 Bảng 5.2 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động trung bình (nymax= 2,6) 102 Bảng 5.3 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động cao (nymax= 4) 102 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Qui luật phân bố mật độ hỏng hóc trong khai thác theo định kỳ 25 Hình 1.2 Sơ đồ quá trình khai thác theo định kỳ có hiệu chỉnh theo độ tin cậy sử dụng 26 Hình 1.3 Kết cấu cánh máy bay L-39 42 Hình 2.1 Mức độ gỉ của mẫu hợp kim nhôm D16AT có độ dày 2 mm 49 Hình 2.2 Tần số lặp tích hợp của tải đối với các bài bay 52 Hình 3.1 Biểu đồ hệ số quá tải đứng ny của kết cấu máy bay trong một chuyến bay 62 Hình 3.2 Quá trình mô phỏng theo phương pháp cực đại 65 Hình 3.3 Quá trình mô hình hoá theo phương pháp cực trị 66 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống KTKQ DTS-39-12 70 Hình 3.5 Giao diện phần mềm 71 Hình 3.6 Bảng chọn các tham số cần giải mã 71 Hình 3.7 Kết quả giải mã khách quan dạng đồ thị 72 Hình 3.8 Kết quả giải mã khách quan dạng bảng dữ liệu 72 Hình 3.9 Thuật toán chương trình tính tần số lặp của tải lê phần tử kết cấu 74 Hình 3.10 Giao diện phần mềm tính tần số tải lặp 75 Hình 3.11 Tần số lặp tích hợp của tải lên kết cấu máy bay L-39 của 3 bài bay đặc trưng 77 Hình 4.1 Mẫu thử tự nhiên 82 Hình 4. 2 Mẫu thí nghiệm mỏi gỉ 83 Hình 4.3 Máy thử mỏi gỉ MG-01 và MG-02 của PTN Viện Kỹ thuật PKKQ 84 Hình 4.4 Đường cong mỏi của hợp kim D16AT trong môi trường không khí và trong dung dịch 3,5% NaCl 87 11 Trang Hình 4.5 Đường cong mỏi của hợp kim D16AT với các mức độ gỉ (% chiều dày) 88 Hình 4.6 Đường cong mỏi D16AT ở sân bay Bạch Mai sau 2 năm và 3 năm 89 Hình 4.7 Đường cong mỏi D16AT ở sân bay Yên Bái sau 1 năm và 3 năm 89 Hình 4.8 Đường cong mỏi của D16AT sau 1 năm tại Nha Trang, Đà Nẵng và Tân Sơn Nhất 90 Hình 4.9 Đường cong mỏi của D16AT sau 2 năm tại Bạch Mai và Yên Bái 90 Hình 4.10 Đường cong mỏi D16AT có phủ chất ức chế và không có chất ức chế 91 Hình 4.11 Đường cong mỏi D16AT có bảo quản lau chùi và không bảo quản 91 Hình 5.1 Lưu đồ thuật toán của chương trình 98 Hình 5.2 Các bước tính toán của chương trình 99 Hình 5.3 Giao diện phần mềm với bài bay cơ động cao 100 Hình 5.4 Giao diện phần mềm với bài bay cơ động thấp 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: 1 n ttb   ti n i 1 Trong đó: (1.1) 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)= 𝑁(𝑡) (1.2) 𝑛 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:  t   N(t)  N(t  t) tN(t) (1.3) 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 tb (t)   m (t) i 1 i N (1.4) 20 - Dòng hỏng hóc: N  (t)  N  m (t  t)   m (t) i 1 i i 1 N i (1.5) 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.