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

tải ny =1,8 tần số tải lặp của bài bay cơ động cao là 78,2 lần/giờ, trong khí đó với bài bay cơ động trung bình, con số đó là 25,9 lần/giờ và với bài bay cơ động thấp, nó chỉ bằng 6,8 lần/giờ. Với phần mềm được thiết lập, tần số tải lặp có thể được xác định cho từng chuyến bay, từng mức tải và số liệu này được đưa vào chương trình tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu (Chương V). 1 10 100 1000 0.8 1.3 1.8 2.3 2.8 3.3 3.8 4.3 2 fi (l/h) 1 3 ny 78 4 CHƯƠNG IV: XÁC ĐỊNH ĐỘ BỀN MỎI GỈ CỦA PHẦN TỬ KẾT CẤU MÁY BAY 4.1 Đặt vấn đề Mục tiêu của chương IV là xác định số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ phần tử kết cấu và đưa nó vào giải bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế đã lập ở chương II. Nhiều chi tiết máy và kết cấu khi làm việc vừa chịu ứng suất làm việc thay đổi theo chu kỳ, vừa chịu tác động của môi trường gây gỉ. Các tác động phối hợp này gây nên hiện tượng mỏi gỉ làm giảm nhanh độ bền và tuổi thọ của chúng, nhiều khi gây ra hậu quả nghiêm trọng. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện sử dụng và điều kiện khí hậu lên độ bền mỏi gỉ của vật liệu kết cấu máy bay, xác định độ bền mỏi gỉ thực tế của vật liệu kết cấu và tìm các giải pháp để nâng cao tuổi thọ của chúng trong điều kiện sử dụng ở nước ta là việc làm cần thiết và mang lại hiệu quả thiết thực. Kết quả xây dựng các đường cong mỏi gỉ của vật liệu kết cấu là tham số cần thiết cho bài toán xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay. Xác định độ bền mỏi gỉ hay là xây dựng đường cong mỏi cho tổng thể kết cấu máy bay hoặc các phần tử của chúng thường được giải quyết bằng thực nghiệm. Thông thường phần tử kết cấu được mô phỏng thành mẫu thử và thử nghiệm trên máy thử để xây dựng đường cong mỏi. Các phần tử kết cấu máy bay thử nghiệm có thể là phần tử xà, khung, nẹp, sườn hoặc vỏ bọc chịu lực. Đối tượng nghiên cứu xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu trong luận án được chọn là phần tử vỏ bọc chịu lực phía dưới gốc cánh máy bay L-39. Qua khảo sát, đây là phần tử làm từ vật liệu D16AT, chịu tải mỏi dạng kéo xung, quá tải tác dụng lên nó có thể thay đổi từ -1 đến 6. Phần tử này nằm gần trọng tâm máy bay, nên có thể lấy hệ số quá tải ny ở trọng tâm máy bay để tính toán. Phần tử này cũng là đặc trưng cho các phần tử kết cấu máy bay chiến đấu, có tính cơ động cao 79 và chịu tác động trực tiếp của môi trường khí hậu. Theo số liệu thống kê phần tử này hay bị hỏng trong quá trình khai thác do bị nứt và gỉ. Các hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo kết cấu máy bay là hợp kim nhôm D16AT và B95, thành phần hóa học (tính theo % khối lượng) và giới hạn bền σb của chúng được thống kê ở bảng 4.1 Bảng 4.1 Thành phần hóa học và giới hạn bền của hợp kim nhôm D16AT và B95 Mác hợp kim Cu Mg Mn Zn Cr σb, MPa D16AT 3,8 -4,9 1,2 - 1,8 0,5 - 0,9 450 B95 1,4 - 2,0 1,8 - 2,8 0,2 - 0,6 5 - 7 0,1 - 0,25 500 4.2 Phương pháp nghiên cứu Theo phương pháp truyền thống đang áp dụng ở các nước trên thế giới và ở nước ta, độ bền mỏi và mỏi gỉ máy nói chung và kết cấu máy bay nói riêng được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm. Thử nghiệm độ bền mỏi kết cấu được thực hiện theo hai phương pháp: - Thử trên kết cấu tổng thể hoặc cụm kết cấu thật. Đây là phương pháp đòi hỏi đầu tư thiết bị thử nghiệm quy mô lớn và rất tốn kém. Một số Phòng thí nghiệm như Trường Đại học Hàng không Moscova (MAИ) có treo cả máy bay JAK-42 lên dàn thử để thử, Phòng thí nghiệm Học Viện Kỹ thuật Không quân Jiucopsky (Nga) có dàn thử treo cả phần đuôi máy bay lên dàn để thử. Tuy nhiên họ cũng chỉ thử được tải tĩnh để đo phân bố ứng suất (bằng dán tenzo) trên các điểm của kết cấu. Thử tải mỏi để xác định độ bền mỏi kết cấu thật vẫn chưa thực hiện được. Nhiều nước như Nga và Mỹ, để quy định tuổi thọ cho kết cấu máy bay họ phải dùng một loạt nhỏ máy bay “đầu đàn” để bay thử với cường độ cao đến hỏng. Số liệu này dùng để quy định tuổi thọ cho các máy bay “đàn em”. - Thử mẫu và điều kiện chịu tải mô phỏng. Theo phương pháp này, phần tử hoặc cụm kết cấu được mô phỏng thành mẫu thử và gia tải mô phỏng trên dàn thử (kéo xung, kéo-nén, xoắn, uốn). Kết quả xây dựng được đồ thị các đường cong mỏi, biểu thị quan hệ giữa tải và số chu kỳ phá hủy mỏi. 80 Để bảo đảm độ chính xác và độ tin cậy cần thiết, người ta thường ban hành các Tiêu chuẩn (Cơ sở và Nhà nước) quy định về lấy mẫu, chế độ gia tải và xử lý kết quả. Để xác định tuổi thọ mỏi của kết cấu, nhiều công trình nghiên cứu [3,47,53,41] đã chấp nhận thuyết sức bền khâu yếu nhất, trong đó giả thiết là trong một kết cấu do phân bố tải không đều hoặc thiết kế kết cấu không chịu ứng suất đồng đều, bao giờ cũng tồn tại khâu yếu nhất. Khi làm việc lâu dài các khâu này sẽ bị hỏng trước, nó có tuổi thọ bé nhất. Nếu phần tử này không thay thế được thì phải dừng sử dụng toàn bộ kết cấu. Chấp nhận giả thuyết này thì tuổi thọ kết cấu sẽ được quy định bằng tuổi thọ khâu yếu nhất. Về mặt an toàn và độ tin cậy, giả thuyết này đảm bảo cho kết cấu có độ an toàn cao khi sử dụng, xét về mặt kinh tế thì sẽ bị tổn thất lớn do một phần dự trữ tuổi thọ kết cấu còn lại chưa được khai thác hết. Kết cấu có phân bố hệ số dư bền đồng đều là kết cấu tối ưu về kinh tế. Để xác định độ bền mỏi gỉ của vật liệu kết cấu trong điều kiện sử dụng ở nước ta, phương pháp phù hợp nhất là phương pháp thực nghiệm mô phỏng trên mẫu thử. Phần tử kết cấu máy bay mà luận án khảo sát được mô phỏng thành mẫu thử. Mẫu thử có kích thước theo Tiêu chuẩn Tiêu chuẩn TCVN 8185:2009 (ISO1099:2006) và được thử trên hai thiết bị mô phỏng chế độ chịu tải mỏi gỉ MG-01 và MG-02. Kết cấu cánh máy bay gồm 3 phần chính: dầm, vách, nẹp và vỏ bọc. Dưới tác dụng của ngoại lực, ứng suất xẩy ra trong kết cấu phức tạp, có thể có các thành phần kéo, nén, uốn, xoắn đan xen. Tuy vậy, theo mức độ quyết định lớn nhất đến độ bền của từng thành phần và bảo đảm bài toán sức bền kết cấu có thể giải được hoặc mô phỏng được để thử nghiệm, người ta cô lập hóa các tải để tính toán. Đối với kết cấu cánh máy bay người ta giả thiết dầm cánh chịu toàn bộ mô mem uốn, vách cánh chịu toàn bộ mô men xoắn, nẹp và vỏ bọc chịu toàn bộ lực cắt. Các ngoại lực được truyền qua các đinh tán vào vỏ bọc và gây ra ứng suất kéo, nén trong từng phần tử vỏ bọc. Như vậy, khi mô phỏng phần tử tấm vỏ bọc chịu lực, người ta thay thế đinh tán bằng các ngoại lực kéo hoặc nén. Phương pháp mô phỏng như vậy cho phép thử nghiệm mỏi phần tử vỏ bọc trên máy. Đối với phần tử vỏ bọc dưới gốc cánh, ngoại 81 lực chính là lực kéo thay đổi theo chu kỳ, lực nén nhỏ, không đáng kể. Vì vậy, chúng tôi chọn chế độ kéo xung để thử mỏi phần tử vỏ bọc này. Vòng đời của kết cấu máy bay bao gồm thời gian cất cánh, bay trên không, hạ cánh và bảo quản tại mặt đất. Trong đó thời gian bảo quản ở mặt đất chiếm 95%  98% vòng đời máy bay. Ví dụ máy bay L-39 trong niên hạn 25 năm chỉ bay 4.500 giờ (= 0,513 năm). Như vậy, tuổi thọ kết cấu máy bay quân sự thực chất là tuổi thọ mỏi có ảnh hưởng của gỉ do tác động của môi trường, khí hậu. Vì vậy, phần tử vỏ bọc chịu lực ở gốc cánh máy bay L-39 được mô phỏng thành mẫu thử tự nhiên và mẫu thử mỏi gỉ dạng kéo xung. Thời gian phơi mẫu thử tự nhiên mô phỏng thời gian máy bay đứng trên sân bay và đỗ ở nhà ga, thời gian chạy trên máy thử mỏi mô phỏng thời gian bay của máy bay. Phương pháp thử mỏi và mẫu thử được tiến hành theo Tiêu chuẩn TCVN 8185:2009 (ISO1099:2006). Nội dung phương pháp này bao gồm một số điểm chính như sau: a) Thử nghiệm tự nhiên Phơi mẫu hợp kim ngoài trời ở một số vùng khí hậu đặc trưng, định kỳ 1 năm, 2 năm, 3 năm lấy mẫu về phòng thí nghiệm để nghiên cứu. Việc tạo mẫu thử nghiệm, phương pháp phơi mẫu tiến hành theo các tiêu chuẩn Việt Nam và Quốc tế [28]. Kích thước và quy cách mẫu thử tự nhiên theo hình 4.1. Viện kỹ thuật PK-KQ đã tổ chức đặt mẫu thử tự nhiên ở một số vùng sân bay có khí hậu đặc trưng như Yên Bái, Bạch Mai, Đà Nẵng, Nha Trang, Tân Sơn Nhất và định kỳ lấy mẫu về phòng thí nghiệm để khảo sát. Mẫu thử tự nhiên là các tấm phẳng làm từ hợp kim nhôm D16AT và B95 có độ dày 2 mm (hình 4.1), mỗi mẫu đều được khắc mã hiệu trong đó thể hiện mác vật liệu, vùng đặt mẫu, ngày đặt mẫu, ngày lấy mẫu. Theo định kỳ thời gian, mẫu được lấy về xử lý trong Phòng thí nghiệm. b) Thử nghiệm mẫu trong Phòng thí nghiệm Mẫu lấy từ các trạm thử tự nhiên được đưa về Phòng thí nghiệm xử lý, đo đạc để đánh giá độ bền gỉ theo tổn thất khối lượng, chiều sâu vết gỉ, phần trăm diện tích bề mặt bị gỉ, v.v... Sau đó mẫu thử tự nhiên được gia công thành mẫu thử mỏi (hình 4.2). 82 Mẫu được lắp lên máy thử mỏi gỉ để thử mỏi dạng kéo xung cho tới khi phá hủy, xây dựng đường cong mỏi cho từng trường hợp thử. Các chế độ ứng suất tải thử nghiệm để xây dựng đường cong mỏi gỉ lần lượt là 0,1σb; 0,3σb; 0,5σb và 0,7σb. Tần số thử mỏi lựa chọn là 3hz tương đương với tần số làm việc nguy hiểm của kết cấu máy bay. Các thí nghiệm mỏi gỉ được thực hiện trong môi trường không khí và trong dung dịch NaCl. Căn cứ vào mục đích thí nghiệm để chọn môi trường thử phù hợp. Vì kết quả thử mỏi không ổn định và tập trung cao như kết quả thử độ bền tĩnh, nên để xây dựng đường cong mỏi gỉ được chính xác, số lượng mẫu thử càng lớn càng tốt. Ở đây nghiên cứu sinh chọn số mẫu thử cho cùng một chế độ là 5 mẫu để lấy kết quả trung bình. Để xây dựng một đường cong mỏi, đã thử từ 15 đến 30 mẫu cho 4 chế độ ứng suất nêu trên. Số lượng này cũng phù hợp với một số công trình nghiên cứu ở nước ngoài. Các tác giả đã cho hay để xây dựng một đường cong mỏi cần tối thiểu từ 8 đến 10 mẫu [48]. Kết quả thí nghiệm được phân tích, so sánh với nhau để rút ra những kết luận cần thiết về độ bền mỏi gỉ của các trường hợp đặc trưng như: cùng một loại vật liệu còn mới (chưa qua thử tự nhiên) được thử nghiệm mỏi gỉ trong các môi trường khác nhau (không khí và dung dịch 3,5% NaCl), độ bền mỏi gỉ của cùng một loại vật liệu đã qua thử tự nhiên với thời gian phơi mẫu khác nhau; độ bền mỏi gỉ của cùng một loại vật liệu đã qua thử tự nhiên cùng một thời gian nhưng ở các vùng khí hậu khác nhau và độ bền mỏi gỉ của cùng một loại vật liệu đã qua thử tự nhiên ở một khu vực nhưng các điều kiện bảo quản khác nhau Hình 4.1 Mẫu thử tự nhiên Chiều dày 2mm 83 Hình4. 2 Mẫu thí nghiệm mỏi gỉ Kết quả thử nghiệm không chỉ cung cấp số liệu để tính tiêu hao tuổi thọ thực tế mà còn làm cơ sở để đề xuất các biện pháp nhằm nâng cao độ bền mỏi gỉ của vật liệu kết cấu máy bay. Các đồ thị mỏi gỉ được tập hợp thành thư viện các đường cong mỏi gỉ tạo thành “bản đồ mỏi gỉ” của nước ta, hay là thư viện về số liệu độ bền mỏi gỉ trên các vùng khí hậu ở nước ta mà đặc trưng là 3 vùng (miền núi, ven biển và thành phố công nghiệp). Theo số liệu lấy từ các đường cong mỏi, chúng ta có thể tìm ra quy luật biến đổi của chúng theo vùng khí hậu bằng biểu thức toán học dạng hàm mũ: m i i i k N A   (4.1) Trong đó: ki - hệ số mức ứng suất tải hay đối với máy bay là mức quá tải đứng yii i b p n k n     [54] (4.2) 𝑛𝑝- hệ số quá tải giới hạn của kết cấu máy bay; σb - ứng suất tới hạn của vật liệu; m – hệ số hàm mũ của đường cong; βi – hệ số ảnh hưởng của môi trường khí hậu, có giá trị bằng tỷ số giữa độ bền mỏi của chi tiết bị gỉ với độ bền mỏi của chi tiết chưa bị gỉ. 0 i i N N   (4.3) 84 Để xác định phương trình đường cong mỏi gỉ cần tìm ra hệ số m và hằng số A. Biểu thức này dễ đưa vào phần mềm giải bài toán tính số chu kỳ phá hủy Ni khi biết mức độ chịu tải (ki) và vùng đặc trưng khí hậu (𝛽𝑖). 4.3 Thiết bị thử mỏi gỉ [13] Thử mỏi gỉ hợp kim D16AT và B95 được thực hiện trên hai máy thử mỏi gỉ MG-01 và MG-02 (hình 4.3) của Phòng thí nghiệm máy bay động cơ thuộc Viện kỹ thuật PK-KQ. Để phục vụ cho đề tài, nghiên cứu sinh đã chủ trì cải tiến và hoàn thiện thiết bị bằng việc thiết kế, lắp đặt thêm hệ thống tạo xung tải tải vuông và xung tải hình thang, hệ thống ghi tự động kết quả khi đứt mẫu, hệ thống điều khiển bằng lập trình chế độ thử trên máy tính trung tâm. Hình 4.3 Máy thử mỏi gỉ MG-01 và MG-02 của PTN Viện Kỹ thuật PK-KQ [13] Một số tính năng và công dụng chính của thiết bị như sau: Công dụng: - Máy dùng để thử mỏi gỉ hoặc mỏi dạng kéo xung các mẫu thử dạng phẳng, vuông hoặc tròn bằng kim loại và phi kim loại trong môi trường không khí, hỗn hợp khí hoặc chất lỏng, hỗn hợp lỏng. - Đo điện hóa hoặc quan sát sự phát sinh vết nứt để xác định thời điểm nứt mẫu thử trong quá trình thử mỏi gỉ. 85 - Thử bịt kín, thử tuổi thọ phụ tùng máy bay làm việc trong chế độ tải lặp, ống mềm, bình tích áp, các loại đệm bịt kín. Sau khi hoàn thiện và cải tiến, thiết bị thử mỏi gỉ (hình 4.3) bao gồm một số bộ phận chính như sau: - Hệ thống thủy lực gồm bơm chạy bằng mô tơ điện, xi lanh thủy lực, hệ thống van, khóa để tạo lực kéo lên mẫu thử. - Nguồn điện xoay chiều 3 pha cấp điện cho động cơ bơm thủy lực. - Nguồn điện xoay chiều 220V cấp cho bộ tạo tần và bộ đếm chu kỳ. Hệ thống điện một chiều cấp cho bơm tăng áp, cho van điện từ GA-192 và tắt tự động động cơ bơm thủy lực. - Hệ thống van điện từ để đóng ngắt thủy lực tạo chế độ tải xung lên mẫu theo chu kỳ có thể điều chỉnh được tần số và biên độ theo yêu cầu bài thử. - Hệ thống đếm và ghi lại số chu kỳ tải mỏi cho đến khi mẫu bị phá hủy. - Hộp môi trường trong đó có thể tạo môi trường theo yêu cầu (độ ẩm không khí, môi trường khí độc hại, môi trường biển, tỷ lệ muối NaCl trong môi trường ). Trong một hộp có thể lắp đồng thời 5 mẫu thử. Mỗi máy có 2 hộp, như vậy mỗi máy có thể thử cùng một lúc 10 mẫu thử. - Khi một mẫu bị phá hủy, máy có bộ phận tự động dừng. Một số tính năng kỹ thuật chính của thiết bị: - Kích thước máy: 1.800 x1.331x628 mm. - Kích thước hộp môi trường; 730x120x122 mm - Công suất động cơ điện: 14kw, 3 pha - Động cơ điện của quạt làm mát: 1 kw, 3 pha - Áp suất ra lớn nhất của bơm thủy lực: 21 MPa - Khả năng điều chỉnh áp suất thủy lực : 0 ÷ 21MPa - Dung tích thùng dầu: 180 lít - Khả năng tạo tần số thử mỏi: 0 - 5Hz - Số mẫu thử cùng một lúc trên một máy : 10 mẫu - Kích thước mẫu tối đa: 650x100 mm - Môi trường thử nghiệm: khí, chất lỏng, hỗn hợp 86 Nguyên lý hoạt động của thiết bị như sau [13]: Mẫu thử được lắp nối tiếp vào hộp môi trường, mỗi máy có hai dây, mỗi dây lắp 5 mẫu. Các mẫu được nối với nhau bằng các bu lông. Một đầu dây mẫu lắp vào giá cố định, đầu kia lắp vào đầu của pitông xi lanh tạo tải bằng thủy lực. Tạo môi trường thử: Nếu thử trong môi trường không khí thì hộp môi trường để hở hoặc có thể tháo rời. Nếu thử trong môi trường khí hoặc lỏng thì hộp môi trường đóng kín. Nếu thử trong môi trường khí hỗn hợp thì mỗi lần mở hộp thay mẫu phải nạp lại hỗn hợp khí. Cài đặt chế độ tải và tần số tải lặp: Điều chỉnh áp suất thủy lực ứng với tải lên mẫu theo các chế độ thử nghiệm. Điều chỉnh tần số để đặt tần số lặp của tải. Thông thường khi thử mỏi gỉ hợp kim nhôm, đặt tần số bằng 3 hz. Nếu đặt tần số bằng 0 thì máy có thể thử mẫu như máy kéo đứt. Đặt bộ đếm số chu trình về 0. Nếu tiếp tục quá trình thử từ ngày hôm trước hoặc ca trước thì giữ nguyên số chu trình đã thử. Nên ghi lại số chu trình đã thử ngày hôm trước hoặc ca trước để đề phòng bộ ghi của máy bị trục trặc. Khi bật khởi động máy, bơm thủy lực chạy bằng động cơ điện bắt đầu chạy, áp suất tăng dần và ổn định ở giá trị ứng với tải thử nghiệm đã đặt trước. Bộ tạo tần số sẽ điều khiển đóng, mở van thủy lực tạo tải lên mẫu theo chế độ xung nhọn, xung vuông và xung lệch theo chế độ và tần số đã đặt. Khi máy đã thiết lập chế độ ổn định, cho máy chạy lâu dài và thường xuyên có người theo dõi máy và giải quyết các sự cố. Theo dõi nhiệt độ dầu thủy lực, hệ thống làm mát động cơ và bơm, nếu nhiệt độ dầu thủy lực cao hơn 600C thì cho tắt máy để làm mát dầu xuống nhỏ hơn 500C mới cho chạy tiếp. Vì các mẫu lắp nối tiếp với nhau nên khi một mẫu đứt có thể lắp một mẫu mới khác, chu kỳ của mẫu này được tính từ thời điểm lắp. Hoặc lắp một mẫu công nghệ để tiếp tục thử các mẫu còn lại. Thử nghiệm cho tới khi đứt hết tất cả các mẫu trên máy là kết thúc. Thời gian máy dừng hoạt động không nên quá 24 giờ, đặc biệt là khi thử trong hộp môi trường chất lỏng hoặc khí hỗn hợp. Ghi chép số liệu cho từng mẫu thử. Tổng hợp, tính toán và phân tích số liệu theo mục đích của bài thử. 87 4.4 Kết quả thí nghiệm xây dựng các đường cong mỏi gỉ Với mục đích sử dụng các đường cong mỏi của vật liệu kết cấu cho bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế phần tử kết cấu, nghiên cứu sinh đã tiến hành thử nghiệm một số phương án: Độ bền mỏi gỉ của mẫu hợp kim D16AT còn mới trong các môi trường khác nhau và các mẫu vật liệu có chiều sâu vết gỉ (tính theo % độ dày vật liệu) khác nhau (hình 4.4 và 4.5) và đã sử dụng một số kết quả mà Viện Kỹ thuật PK-KQ đã thử nghiệm (hình 4.6 đến hình 4.11) với mục đích kiểm chứng kết quả thử của luận án. Tổng hợp kết quả các thử nghiệm như sau: 4.4.1 Độ bền mỏi gỉ của mẫu hợp kim D16AT còn mới, được thử mỏi gỉ trong các môi trường khác nhau Các đường cong mỏi của hợp kim nhôm D16AT còn mới (chưa qua thử tự nhiên) nhưng thử trong các môi trường khác nhau thể hiện trên hình 4.4. Đường cong 1 cho trường hợp thử trong môi trường không khí, đường cong 2 cho trường hợp thử trong môi trường dung dịch 3,5% NaCl. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền mỏi gỉ của D16AT trong môi trường 3,5% dung dich NaCl giảm nhiều so với môi trường không khí nhưng độ giảm này không đồng đều. Chế độ tải càng nhỏ (0,3σb) độ suy giảm càng lớn (2,1 lần), khi tải lớn (0,7σb) độ suy giảm ít hơn (1,5 lần). Nguyên nhân của hiện tượng đó là do khi tải nhỏ, mẫu ngâm trong dung dịch lâu hơn, độ xâm thực của muối vào hợp kim lớn, còn khi tải lớn, thời gian mẫu ngâm trong dung dịch ít hơn nên độ xâm thực của muối vào kim loại ít hơn. Hình 4.4 Đường cong mỏi của hợp kim D16AT trong môi trường không khí (1) và trong dung dịch 3,5% NaCl (2) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 1 2 3 4 Ki Ni x 10 5 1 2 88 4.4.2 Thử nghiệm độ bền mỏi đối với các mẫu vật liệu có chiều sâu vết gỉ (tính theo % độ dày vật liệu) khác nhau Các mẫu thử được chế tạo theo Tiêu chuẩn TCVN8185:2009 (ISO 1099:2006) trên vùng công tác của mẫu thử được tạo các vết gỉ có chiều sâu khác nhau. Mẫu thử có chiều dày 2 mm với các chiều sâu vết gỉ khác nhau: 0,06 mm (3% chiều dày), 0,1 mm (5%), 0,2 mm (10%), 0,3 mm (15%), 0,4 mm (20%). Kết quả thử nghiệm được tổng hợp trên hình 4.5. Kết quả thử nghiệm cho thấy độ bền mỏi của hợp kim nhôm D16AT phụ thuộc và mức độ ghỉ của vật liệu. Chiều sâu vết gỉ càng lớn thì độ bền mỏi càng giảm. Tuy nhiên mức độ giảm không tuyến tính. Đối với các mức tải lớn ki =0,5÷0,7 mức độ suy giảm không lớn. Đối với các chế độ tải nhỏ ki = 0,1÷0,4 mức độ suy giảm của độ bền mỏi lớn hơn. Hình 4.5 Đường cong mỏi của hợp kim D16AT với các mức độ gỉ (% chiều dày) (I - Vật liệu mới, II - vật liệu gỉ 3%, III - vật liệu gỉ 5%, IV - vật liệu gỉ 10% V - vật liệu gỉ 15%, VI - vật liệu gỉ 20%) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 1 2 3 4 5 6 7 I II III VI V IV Ki Ni x 10 5 89 4.4.3 Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu thử tự nhiên ở cùng địa điểm với thời gian khác nhau Hình 4.6 Đường cong mỏi D16AT ở sân bay Bạch Mai sau 2 năm (1) và 3 năm (2) Hình 4.7 Đường cong mỏi D16AT ở sân bay Yên Bái sau 1năm (1) và 3 năm (2) Kết quả thử nghiệm (hình 4.6 và 4.7) cho thấy theo thời gian độ bền mỏi gỉ giảm dần. Ở Yên Bái độ giảm trung bình hàng năm 17%, ở Bạch Mai con số này là 8%. Điều này phù hợp với qui luật tự nhiên là thời gian phơi mẫu ngoài trời càng lâu thì độ gỉ của kim loại càng lớn và độ sâu của các vết gỉ càng lớn gây ảnh hưởng đến độ bền mỏi. Ở hai môi trường khác nhau, Yên Bái ở vùng núi, tác nhân cơ bản là độ ẩm và sương mù, Bạch Mai ở vùng thành phố công nghiệp, tác nhân cơ bản là khí thải công nghiệp và bụi bẩn nên ảnh hưởng đến độ bền mỏi gỉ cũng khác nhau rõ rệt. 4.4.4 Độ bền mỏi gỉ của hợp kim D16AT ở các địa điểm khác nhau được thử tự nhiên với thời gian như nhau Hình 4.8 biểu diễn đường cong mỏi của các mẫu thử tự nhiên sau 1 năm tại ba địa điểm là sân bay Nha Trang, Đà Nẵng và Tân Sơn Nhất. Sự so sánh cho thấy độ bền mỏi gỉ của hợp kim này ở Nha Trang cao nhất, thứ tự đến Đà Nẵng và Tân sơn Nhất. Vì kết quả thí nghiệm chưa nhiều nhưng sơ bộ có thể nhận xét như sau: Nha Trang tuy gần biển nhưng độ ẩm ở đây quanh năm thấp, hạn chế tác động của muối biển NaCl lên kim loại. 90 Hình 4.8 Đường cong mỏi của D16AT sau 1 năm tại Nha Trang (1), Đà Nẵng (2) và Tân Sơn Nhất (3) Hình 4.9 Đường cong mỏi của D16AT sau 3 năm tại Bạch Mai (1) và Yên Bái (2) Tại Đà Nẵng độ ẩm không khí tương đối cao, ngoài ra còn có tác động của khí thải công nghiệp nên độ bền mỏi gỉ của hợp kim giảm. Còn ở thành phố Hồ Chí Minh, thành phố công nghiệp, chịu ảnh hưởng của khí thải trong đó có hàm lượng SO 2 là tác nhân gây gỉ mạnh đối với các vật liệu kim loại. Hình 4.9 biểu diễn đường cong mỏi của các mẫu thử tự nhiên sau 3 năm tại hai địa điểm là sân bay Bạch Mai và Yên Bái. Sự so sánh cho thấy độ bền mỏi gỉ của hợp kim này ở Yên Bái suy giảm nhanh hơn do Yên Bái là vùng khí hậu có độ ẩm và sương mù quanh năm cao. 4.4.5 Độ bền mỏi gỉ của hợp kim D16AT ở cùng một địa điểm thử tự nhiên với cùng thời gian nhưng được bảo quản với các phương pháp khác nhau Hình 4.10 biểu diễn đường cong mỏi của các mẫu thử tự nhiên sau 2 năm tại sân bay Bạch Mai với loại mẫu có tẩm phủ chất ức chế chống gỉ và một loại không có tẩm phủ chất ức chế. Kết quả cho thấy các chất ức chế chống gỉ có tác dụng tốt trong việc nâng cao độ bền mỏi gỉ của hợp kim nhôm. Hình 4.11 biểu diễn đường cong mỏi của các mẫu thử tự nhiên sau 2 năm tại sân bay Bạch Mai với loại mẫu có sự lau chùi thường xuyên (1-2 lần trong tuần) và một loại không có lau chùi, bảo quản. Kết quả cho thấy các mẫu được lau chùi, bảo quản thường xuyên có độ bền mỏi gỉ cao hơn so với trường hợp ngược lại. 91 Kết quả thử nghiệm này cũng giúp chúng ta thấy tác dụng của các biện pháp bảo dưỡng bảo quản vật liệu kết cấu máy bay. Hình 4.10 Đường cong mỏi D16AT có phủ chất ức chế (1) và không có chất ức chế (2) Hình 4.11 Đường cong mỏi D16AT có bảo quản lau chùi (1) và không bảo quản (2) 4.5 Sử dụng đồ thị các đường cong mỏi để tính toán số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ kết cấu Với kết quả thí nghiệm ban đầu đạt được, tổng hợp, phân tích và so sánh cho thấy điều kiện khai thác sử dụng có ảnh hưởng rất đáng kể đến suy giảm độ bền mỏi gỉ của hợp kim nhôm. Các yếu tố có ảnh hưởng đáng kể nhất là vùng khí hậu, thời gian, niên hạn sử dụng, giờ bay và chế độ bảo dưỡng, bảo quản. Mức độ ảnh hưởng khác nhau đối với từng vùng khác nhau, thời gian bay cũng như chế độ bảo quản bảo dưỡng khác nhau. Từ đây chúng ta có cơ sở để đề xuất các biện pháp nâng cao độ bền mỏi gỉ khi sử dụng các loại hợp kim này. Kết quả này cũng làm cơ sở để xác định tuổi thọ thực tế của vật liệu kết cấu máy bay trong điều kiện sử dụng ở nước ta thông qua việc xác định được số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ Ni của vật liệu kết cấu trong từng điều kiện khai thác sử dụng cụ thể. Mức độ ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến tuổi thọ kết cấu máy bay được đặc trưng bằng hệ số i có giá trị bằng tỷ số giữa độ bền mỏi của chi tiết bị gỉ với độ bền mỏi của chi tiết chưa bị gỉ. 92 Quá trình nghiên cứu bằng thực nghiệm đã xây dựng được các đường cong mỏi gỉ của hợp kim nhôm D16AT theo chiều sâu vết gỉ, tính bằng % độ dày của mẫu thử tự nhiên theo thời gian và các vùng khí hậu khác nhau (hình 4.5). Kết hợp với kết quả thử tự nhiên và đo đạc độ gỉ của hợp kim nhôm D16AT theo thời gian và ở các vùng khí hậu khác nhau ở nước ta (hình 2.1), đã xác định được các hệ số ảnh hưởng của điều kiện khí hậu i đối với các vùng khí hậu đặc trưng (vùng núi, vùng thành phố công nghiệp, vùng ven biển), và thời gian sử dụng (T) và mức tải (ki). Kết quả tính toán hệ số i thể hiện trong trong bảng 4.2. Số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ Ni của mức tải ki được xác định bằng phương pháp thử mỏi gỉ mẫu kết cấu hoặc kết cấu thật theo tải mô phỏng trong phòng thí nghiệm như đã nêu ở trên. Kết quả thử mỏi gỉ được tổng hợp dưới dạng bảng số liệu, đồ thị (đường cong mỏi gỉ ) hoặc phương trình toán học dưới dạng hàm Ni=ƒ(ki). Bảng 4.2 Hệ số ảnh hưởng i ở các vùng khí hậu (I- vùng núi, II- vùng thành phố công nghiệp, III- vùng ven biển) T (năm) ki Vùng 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 5 I 0,046 0,219 0,502 0,793 0,852 0,870 0,929 II 0,038 0,188 0,429 0,671 0,786 0,852 0,857 III 0,040 0,200 0,459 0,732 0,833 0,839 0,893 10 I 0,044 0,213 0,488 0,756 0,857 0,889 0,893 II 0,034 0,172 0,390 0,634 0.738 0,802 0,857 III 0,036 0,175 0, 405 0,646 0,762 0,852 0,857 15 I 0,043 0,213 0,463 0,768 0,833 0,839 0,893 II 0,031 0,172 0,390 0,634 0,714 0,802 0,850 III 0,031 0,166 0,405 0,598 0,643 0,692 0,714 20 I 0,042 0,213 0,463 0,756 0,833 0,839 0,893 II 0,033 0,172 0,380 0,634 0,690 0,722 0,850 III 0,030 0,156 0,341 0,561 0,619 0,670 0,671 Từ kết quả thực nghiệm thu được, đã xây dựng được các đường cong mỏi. Dựa trên số liệu của đường cong mỏi, có thể xây dựng phương trình toán học biểu diễn đường cong mỏi đó. 93 Theo định lý về chất tải đơn giản của lý thuyết biến dạng, phương trình đường cong mỏi có dạng hàm mũ. Các công trình nghiên cứu [48,52] đã chứng minh được phương trình đường cong mỏi có dạng: i N m i A  (4.4) với: A, m là các hằng số, phụ thuộc chủ yếu vào tính chất vật liệu. Chia cả hai vế cho giới hạn bền của vật liệu 𝜎𝑏 𝑚 ta có: m b A A' m i i b N           (4.5) Trong đó: m - chỉ số mũ đường cong mỏi, nó có giá trị không đổi đối với một loại vật liệu, đối với vật liệu D16AT chúng tôi tìm ra m = 3; Ký hiệu 𝜎𝑖 𝜎𝑏 = ki và gọi nó là mức tải mỏi. Nó có giá trị bằng tỷ số giữa ứng suất 𝜎I do quá tải nyi gây nên và ứng suất bền giới hạn của vật liệu σb. Vì ứng suất trong vật liệu tỷ lệ thuận với tải tác dụng lên chúng [54] nên có thể viết: ki = 𝜎𝑖 𝜎𝑏 = 𝑛𝑦𝑖 𝑛𝑝 (4.6) Trong đó: 𝑛𝑝- hệ số quá tải giới hạn của kết cấu máy bay. Vậy phương trình (4.5) có thể viết dưới dạng: ' m i ik N A (4.7) Theo các kết quả thí nghiệm mẫu vật liệu mới (hình 4.4), từ đồ thị đường cong mỏi dùng phương pháp nội suy Newton hay “hồi quy đa thức”, có thể tìm được hệ số A’ và số mũ m của phương trình (4.7) và tìm được phương trình đường cong mỏi của vật liệu D16AT khi chưa bị gỉ như sau: ki 3 Ni= 1,28.10 4 (4.8) Từ phương trình (4.8), có thể xác định được số chu kỳ phá huỷ Ni của kết cấu ứng với mức tải ki. Trong phương trình này, mới chỉ xét tới ảnh hưởng của chế độ chịu tải mỏi đơn thuần mà chưa thể hiện được ảnh hưởng của các điều kiện khác như vùng khí hậu, niên hạn sử dụng của kết cấu. 94 Trong phần 4.4 đã có kết quả thí nghiệm xây dựng đường cong mỏi gỉ cho một số điều kiện môi trường cụ thể. Để khái quát hóa ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến độ bền mỏi gỉ kết cấu, có thể đưa hệ số ảnh hưởng của điều kiện khí hậu i vào phương trình (4.7) sẽ nhận được phương trình đường cong mỏi có tính đến ảnh hưởng của điều kiện môi trường sử dụng có dạng: 3 'ii i N k A   (4.9) Trong đó: i - Hệ số ảnh hưởng của môi trường khí hậu theo từng vùng khai thác máy bay đến độ bền mỏi gỉ kết cấu. Khái niệm về hệ số này đã nêu ở trên; Ni - Số chu kỳ đến phá hủy mỏi của vật liệu kết cấu. Từ số liệu các đường cong mỏi gỉ nhận được bằng thử nghiệm trên máy mỏi gỉ, có thể rút ra phương trình chung của các đường cong mỏi gỉ vật liệu kết cấu có dạng: 3 41,28.10ii i N k   (4.10) Từ công thức trên ta có: 4 3 .1, 28.10i i i N k   (4.11) Theo công thức (4.11), có thể xác định số chu kỳ phá hủy mỏi cho từng vùng khí hậu và năm sử dụng (theo hệ số i) theo từng mức tải ki và đưa dữ liệu này vào bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu. Kết quả tính toán số chu kỳ phá hủy mỏi Ni cho các vùng khí hậu, niên hạn sử dụng và các mức tải ghi trong bảng 4.3 95 Bảng 4.3 Số chu kỳ phá hủy mỏi của phần tử kết cấu (Ni x10 4 ) (I- vùng núi, II- vùng thành phố công nghiệp, III- vùng ven biển) Đơn vị tính: (Ni x10 4 ) T (năm) ki Vùng 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 I, II, II 1280 160 47,40 20,00 10,20 5,92 3,73 5 I 58,80 35,04 23,79 15,86 8,55 5,15 3,46 II 48,64 30,08 20,33 13,42 8,01 5,04 3,19 III 51,20 32,00 21,75 14,64 8,49 4,96 3,33 10 I 50,30 34,08 23,13 15,12 8,74 5,26 3,33 II 43,50 27,52 18,48 12,68 7,52 4,74 3,19 III 46,08 28,00 19,19 12,92 7,77 5,04 3,19 15 I 55,04 34,08 21,94 15,36 8,49 4,96 3,33 II 39,68 27,52 18,4 12,68 7,28 4,74 3,17 III 39,68 26,56 19,19 11,96 6,55 4,09 2,66 20 I 53,80 34,08 21,94 15,12 8,49 4,96 3,33 II 42,20 27,52 18,01 12,68 7,03 4,27 3,17 III 38,40 24,96 16,16 11,12 6,31 3,96 2,50 So sánh số liệu Ni tính toán của luận án và Ni từ các thí nghiệm của Viện kỹ thuật PK-KQ ghi trong bảng 4.4 Bảng 4.4 Số liệu so sánh giữa kết quả tính số chu kỳ phá hủy mỏi phần tử kết cấu Ni của Luận án (LA) và kết quả thí nghiệm của Viện kỹ thuật PK-KQ (VKT) Đơn vị tính: (Ni x10 4 ) T (năm) ki Vùng 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 1 Nha trang (Vùng III) LA 21,75 14,64 8,49 4,96 3,33 VKT 23,5 14,5 9,1 5,5 2,5 Sai số % 7,5 0,9 6,7 9,8 24 Tân sơn nhất (Vùng II) LA 20,33 13,42 8,01 5,04 3,19 VKT 20,00 13,5 8,10 5,00 3,20 Sai số % 1,6 1,0 1,0 1,0 1,0 3 Yên Bái (Vùng I) LA 23,79 15,86 8,55 5,15 3,46 VKT 20,00 13,5 7,5 4,5 2,60 Sai số % 15,8 14,8 12,2 12,6 24 Bạch Mai (Vùng II) LA 20,33 13,42 8,01 5,04 3,19 VKT 20,00 13,5 8,00 4,65 2,60 Sai số % 1,6 1,0 1,0 7,7 18,5 96 Kết quả kiểm chứng, so sánh giữa kết quả tính số chu kỳ phá hủy mỏi phần tử kết cấu Ni của Luận án và kết quả thí nghiệm của Viện kỹ thuật Phòng không - Không quân cho thấy sai số trung bình nhỏ hơn 10%. Đối với thử mỏi gỉ, sai số như thế có thể chấp nhận được. 4.6 Kết luận chương IV Kết quả nghiên cứu xác định độ bền mỏi gỉ bằng phương pháp thử nghiệm xây dựng các đường cong mỏi gỉ của chúng cho thấy: - Độ bền mỏi gỉ của hợp kim D16AT và B95 giảm nhiều trong môi trường có muối Cl-, mức độ giảm lớn nhất nhất lên tới 55% ở mức tải 0,3σb. Ở các mức tải cao ảnh hưởng sẽ ít hơn so với các mức tải thấp. - Độ suy giảm độ bền mỏi gỉ của hợp kim nhôm ở các vùng khí hậu khác nhau sẽ khác nhau. Ở các sân bay vùng núi mức suy giảm trung bình hàng năm từ 0,5%/năm đến 4,7%/năm theo mức tải ki tương ứng từ 0,7 đến 0,1. Ở vùng thành phố công nghiệp con số này từ 0,75%/năm đến 4,8%/năm. Ở vùng bờ biển con số này từ 2,2%/năm đến 4,8%/năm. Ở các mức tải ki nhỏ, mức độ suy giảm độ bền mỏi cao hơn so với ở các mức tải lớn. - Với số liệu Ni được xác định theo phương pháp trình bày ở trên, có thể sử dụng làm dữ liệu đầu vào của bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu làm việc trong điều kiện tải lặp. Phương pháp bảo đảm độ tin cậy nhờ dựa vào kết quả thử nghiệm nhiều phương án mẫu đặc trưng cho các điều kiện sử dụng. Phương pháp thử được tiến hành theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN). Thiết bị thử mỏi gỉ được kiểm định theo hệ thống đo lường quân đội. Kết quả kiểm chứng, so sánh giữa kết quả tính số chu kỳ phá hủy mỏi phần tử kết cấu Ni của Luận án và kết quả thí nghiệm của Viện kỹ thuật Pk-KQ cho thấy sai số trung bình nhỏ hơn 10%. Đối với thử mỏi gỉ, sai số như thế có thể chấp nhận được. 97 5 CHƯƠNG V CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ KẾT QUẢ 5.1 Cơ sở xây dựng chương trình Cơ sở và nội dung cơ bản của phương pháp đã được trình bày ở mục 2.3 và 2.4.1. Để tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay, ta xây dựng chương trình tính dựa trên các phương trình đã nêu ở phần 2.3. Dữ liệu đầu vào cần có: - Số thứ tự máy bay - Số hiệu máy bay ở đơn vị - Tuổi thọ ấn định theo niên hạn (năm) - Niên hạn đã sử dụng (năm) - Tuổi thọ ấn định theo giờ bay (giờ) - Số giờ bay đã bay (giờ, phút) - Thời gian bay trong ngày (chuyến, ngày, giờ, phút) Dữ liệu phục vụ cho chương trình: - Số liệu giải mã về tải ( giá trị tải, tần số lặp của tải) - Số liệu về độ bền mỏi gỉ của vật liệu kết cấu (Ni) dưới dạng đồ thị đường cong mỏi gỉ hoặc phương trình đường cong mỏi gỉ - Số liệu về hệ số ảnh hưởng điều kiện khí hậu, vùng và niên hạn sử dụng βi. Đầu ra của chương trình phải cung cấp được các số liệu sau: - Hệ số hiệu chỉnh tiêu hao tuổi thọ thực tế Ktt - Tiêu hao tuổi thọ thức tế (giờ bay qui đổi) - Tuổi thọ thực tế còn lại - Số giờ bay quy đổi đến lần sửa chữa tiếp theo. Lưu đồ thuật toán của chương trình được trình bày trên hình 5.1. Các bước tính toán của chương trình nêu trong hình 5.2 98 5.2 Lưu đồ thuật toán chương trình phần mềm Hình 5.1 Lưu đồ thuật toán của chương trình 5.3 Các bước tính toán chương trình Số hiệu máy bay Ngày bay Khu vực bay - Năm bắt đầu sử dụng - Số năm quy định sử dụng - Số giờ quy định sử dụng Dữ liệu hộp đen Thử mỏi vật liệu βi , A - τ -nyi - ny max Ki - Năm đã sử dụng - Số giờ đã sử dụng Ni f λ Ktt Tqd Số giờ sử dụng quy đổi Số giờ sử dụng quy đổi còn lại Hình 5.2 Các bước tính toán của chương trình 99 Khi kết thúc chuyến bay, có số hiệu máy bay và file dữ liệu khách quan của chuyến bay, phần mềm sẽ tự động lọc ra các thông số τ (thời gian bay), ny (quá tải đứng của máy bay lấy thông số 1s/1 lần ghi), đồng thời phần mềm tự truy suất vào file dữ liệu lưu trữ để lấy ra thông số năm bắt đầu sử dụng, số năm quy định, số giờ quy định, năm đã sử dụng, số giờ đã sử dụng và thời gian còn lại của số hiệu máy bay đó. Đồng thời phần mềm bắt buộc phải nhập vùng bay, cấp độ phi công, bài bay để từ đó tự động truy suất vào thư viện dữ liệu độ bền mỏi của vật liệu để lấy ra tham số βi (tham số ảnh hưởng của vùng và năm sử dụng) Từ đó phần mềm thứ tự sẽ tính toán ra mức tải Ki, tần số lặp fi của mức tải nyi, số chu kỳ phá hủy mỏi Ni của mức tải Ki, và tự động tính ra λi. Tổng toàn bộ λi của cả chuyến bay sẽ là λ chuyến bay, lấy hệ số độ tin cậy η = 5, phần mềm sẽ tính được hệ số Ktt và ra được thời gian quy đổi Tqd. Sau khi thực hiện một loạt thao tác tuần tự như vậy phần mềm sẽ lưu lại số năm sử dụng và số giờ sử dụng còn lại của máy bay vào file dữ liệu chuyến bay và kết thúc quá trình tính toán. Đồng thời phần mềm hiển thị toàn bộ thông số chuyến bay lên màn hình chính (hình 5.3, 5.4). Hình 5.3 Giao diện phần mềm với bài bay cơ động cao 100 101 Hình 5.4 Giao diện phần mềm với bài bay cơ động thấp 5.4 Kết quả tính toán Sau mỗi chuyến bay, phim tự ghi của hệ thống kiểm tra khách quan được lấy từ máy bay, nạp vào bộ giải mã và chạy chương trình. Hệ thống sẽ tính toán, thống kê và thông báo các số liệu của chuyến bay như: tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay, hệ số tiêu hao tuổi thọ thực tế, tiêu hao tuổi thọ thực tế, tuổi thọ thực tế còn lại. Quá trình thống kê tuổi thọ thực tế này thực hiện sau mỗi ban bay và liên tục trong quá trình khai thác máy bay. Kết quả là ở bất kỳ thời gian nào, nhà khai thác cũng được thông báo về trạng thái kỹ thuật của máy bay để có kế hoạch tiếp theo. Kết quả tính toán tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu máy bay L-39 có thể thực hiện cho từng bài bay và sau mỗi chuyến bay. Bảng 5.1, 5.2 và 5.3 trích dẫn số liệu tính toán cho ba bài bay tiêu biểu của máy bay L-39 sử dụng ở vùng khí hậu ven biển (bài bay cơ động thấp như bay vòng kín, bay trinh sát thời tiết, bay tuần tiễu. Bài bay cơ động trung bình như bay kỹ thuật giản đơn, tấn công mục tiêu trên không. Bài bay cơ động cao như nhào lộn, thắt vòng, bổ nhào ném bom...) 102 Bảng 5.1 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động thấp (nymax = 1,8) Thời gian (năm)  Ktt 1 2,22.10 -5 0,4994 5 2,46.10 -5 0,555 10 2,86.10 -5 0,644 15 2,96.10 -5 0,6657 20 3,07.10 -5 0,6922 Bảng 5.2 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động trung bình (nymax=2,6) Thời gian (năm)  Ktt 1 2,52.10 -5 0,5677 5 2,83.10 -5 0,6375 10 3,17.10 -5 0,7137 15 3,31.10 -5 0,7457 20 3,43.10 -5 0,7719 Bảng 5.3 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động cao (nymax= 4) Thời gian (năm)  Ktt 1 4,95.10 -5 1,1145 5 5,59.10 -5 1,2579 10 6,06.10 -5 1,3653 15 6,5.10 -5 1,4634 20 7,03.10 -5 1,5821 5.5 Kết luận chương V Kết quả tính toán tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu máy bay L-39 cho thấy tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu máy bay phụ thuộc rất lớn vào nội dung các bài bay huấn luyện, vùng khí hậu nơi khai thác máy bay và số năm đã sử dụng máy bay. Đối với các bài bay cơ động cao như đánh chặn, tấn công mặt đất, bay không vực cơ động phức tạp, hệ số quy đổi tiêu hao tuổi thọ thực tế có giá trị từ 1,1 đến 103 1,5; với các bài bay cơ động trung bình như bay không vực kỹ thuật đơn giản, bay đường dài, con số đó là 0,6 đến 0,8 trong khi các bài bay cơ động thấp như bay bằng, bay vòng kín, trinh sát thời tiết, con số này là 0,5 đến 0,7. Đối với các phần tử kết cấu có niên hạn sử dụng cao, tiêu hao tuổi thọ thực tế cũng lớn hơn so với khi chúng mới đưa vào sử dụng. Cùng sử dụng ở vùng bờ biển với bài bay cơ động cao, hệ số quy đổi tiêu hao tuổi thọ thực tế khi bắt đầu sử dụng là 1,1 trong khi với niên hạn sử dụng 15 năm con số này là 1,4. Trong khuôn khổ luận án, phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế được áp dụng tính toán cho phần tử vỏ bọc chịu lực dưới gốc cánh. Phương pháp này cũng có thể áp dụng tương tự để tính toán các phần tử khác của kết cấu máy bay. 104 KẾT LUẬN CHUNG 1. Phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay mà luận án đề xuất và xây dựng là phương pháp phù hợp và khả thi cho điều kiện khai thác máy bay quân sự ở nước ta. Nội dung cơ bản của phương pháp là xác định ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng như chế độ bay, kỹ thuật lái của phi công, môi trường khí hậu và niên hạn sử dụng lên tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay. 2. Kết quả nghiên cứu chế độ chịu tải của phần tử kết cấu máy bay L-39 cho thấy: Tần số tải lặp lên phần tử kết cấu phụ thuộc vào nội dung bài bay và kỹ thuật bay. Với cùng mức tải, tần số tải lặp của các bài bay khác nhau sẽ khác nhau. Với mức tải ny =1,8, tần số tải lặp của bài bay cơ động cao là 78,2 lần/giờ, trong khí đó với bài bay cơ động trung bình con số đó là 25,9 lần/giờ và với bài bay cơ động thấp nó chỉ bằng 6,8 lần/giờ . Kết quả xác định tần số tải lặp được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho bài toán xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu. 3. Điều kiện môi trường khí hậu và thời hạn sử dụng ảnh hưởng đáng kể đến độ bền mỏi gỉ kết cấu. Ở các sân bay vùng núi mức suy giảm trung bình hàng năm từ 0,5%/năm đến 4,7%/năm theo mức tải ki tương ứng từ 0,7 xuống 0,1. Ở vùng thành phố công nghiệp con số này từ 0,75%/năm đến 4,8%/năm. Ở vùng bờ biển con số này từ 2,2%/năm đến 4,8%/năm. Ở các mức tải ki nhỏ, mức độ suy giảm độ bền mỏi cao hơn so với ở các mức tải lớn. Kết quả xác định số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho bài toán xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu. 4. Bài toán và chương trình tính tiêu hao tuổi thọ thực tế hay giờ bay quy đổi áp dụng vào phần tử vỏ bọc chịu lực ở gốc cánh máy bay L-39 cho thấy tiêu hao tuổi thọ thực tế của chúng phụ thuộc vào chế độ chịu tải, vùng khí hậu và niên hạn sử dụng. Với bài bay cơ động cao, hệ số quy đổi tiêu hao tuổi thọ thực tế có giá trị từ 1,1 đến 1,7; với bài bay cơ động trung bình: từ 0,5 đến 0,7 trong khi với các bài bay cơ động thấp con số này là 0,4 đến 0,6. Cùng sử dụng ở vùng bờ biển, với bài bay cơ động cao, hệ số quy đổi tiêu hao tuổi thọ thực tế khi bắt đầu sử dụng là 1,1 còn khi niên hạn sử dụng đến 15 năm con số này là 1,4. 105 5. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng làm căn cứ để tăng hạn sử dụng kết cấu máy bay, góp phần giải quyết mâu thuẫn giữa tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay và theo niên hạn trong phương pháp khai thác máy bay quân sự hiện hành, 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. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Để hoàn thiện phương pháp xác định tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay, cần tiếp tục nghiên cứu giải quyết những vấn đề chính sau: - Nghiên cứu xác định các khâu “yếu” về tuổi thọ của kết cấu; - Các phương pháp xác định tuổi thọ khâu “yếu” của kết cấu; - Nghiên cứu phương pháp khai thác kết cấu máy bay theo tiêu hao tuổi thọ thực tế. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] B.N. Arzamaxop (2000) Vật liệu học. NXB Giáo dục [2] Đinh Lê Dụ (1994) Sự ảnh hưởng của điều kiện sử dụng đến độ bền mỏi gỉ của hợp kim D16AT và B95. Viện kỹ thuật Không quân [3] Đỗ Minh Khai, Lã Hải Dũng (2000) Kết cấu và độ bền kết cấu máy bay. Học viện Phòng không - Không quân [4] Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Văn Cường (1986) Lý thuyết đàn hồi dẻo, từ biến. Học viện Kỹ thuật quân sự. [5] Hoàng Lương (2001) Động lực học bay và cơ động chiến đấu của máy bay. Học viện Phòng Không - Không Quân [6] Huỳnh Tùng (1992) Nghiên cứu giải quyết độ tin cậy kết cấu máy bay. Viện Kỹ thuật Không quân [7] Huỳnh Tùng, Lê Đình Cương, Đinh Lê Dụ, Vũ Thường Bồi (1999) Lập mô hình tổng thể tiêu chuẩn và nhiệt đới hóa quá trình bảo dưỡng bảo quản và khai thác máy bay, động cơ trang thiết bị KTHK ở vùng nhiệt đới Viêt nam. Viện kỹ thuật Phòng không – không quân [8] Huỳnh Tùng, Bùi Đức Hiệp (2001) Một vài trao đổi về vấn đề khai thác trang thiết bị kỹ thuật quân sự theo trạng thái, Tạp chí Kỹ thuật và Trang bị, 10.2001 [9] Huỳnh Tùng, Vũ Thường Bồi (2002) Đặc trưng khí hậu sân bay và tình trạng ăn mòn kết cấu máy bay, đặc trưng hư hỏng vật liệu phi kim loại ở Việt Nam. Viện kỹ thuật PK-KQ [10] Khuất Tất Nhưỡng (2002) Kỹ thuật ĐM toa xe hiện đại. NXB Giao thông vận tải [11] Lê Đình Cương (1992) Nghiên cứu tuổi thọ kết cấu máy bay qua phim tự ghi của hệ thống kiểm tra khách quan САРПП-12Г. Viện kỹ thuật Không quân, Quân chủng Không quân [12] Lê Đình Cương, Huỳnh Tùng (1992) Phương pháp tính độ tin cậy kết cấu bằng hợp kim nhôm trong điều kiện mỏi gỉ. Viện kỹ thuật Không quân - Quân chủng Không quân 107 [13] Máy thử mỏi gỉ thấp tần Thuyết minh và hướng dẫn sử dụng. Viện kỹ thuật Phòng không - Không quân [14] Ngô Văn Quyết (1987) Nhập môn cơ học phá hủy - Fracture mechanics. Hội Cơ học Việt Nam. 1987 [15] Ngô Văn Quyết (2000) Cơ sở lý thuyết mỏi. NXB Giáo dục [16] Ngô Văn Quyết, Trần Xuân Khái (2002) Phương pháp xác định các thông số đường cong mỏi của chi tiết máy. Tạp chí “Khoa học và kỹ thuật”, Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 100/III/2002 [17] Như Phương Mai, Lê Quang, Phan Thuỳ Linh (2001) Một phương án thiết kế sơ bộ và kiểm tra bền mặt cắt ngang của máy bay dưới âm. Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc về cơ học kỹ thuật, Hà Nội 12-13/10/2001, trang 144-149 [18] Nguyễn Ngọc Bình, Vũ Đình Vui (1981) Ảnh hưởng của vùng khí hậu đến tốc độ ăn mòn khí quyển thép cacbon. Tạp chí “Khoa hoc và Kỹ thuật”, số 8/1981 [19] Nguyễn Xuân Cư (1996) Cơ học kết cấu máy bay. Học Viện Phòng Không - Không Quân [20] Nguyễn Minh Xuân, Nguyễn Quốc Bình, Cao Thanh Long (1999) Khai thác và tổ chức bảo đảm Kỹ thuật hàng không ngành may bay - động cơ. Học viện Phòng không - Không quân [21] Nguyễn Minh Xuân, Nguyễn Văn Hồng (2004) Tổ chức khai thác và sử dụng Kỹ thuật hàng không. Học viện PK-QQ, Tuyển tập bài giảng [22] Nguyễn Văn Phái, Nguyễn Quốc Việt Tính toán độ bền mỏi. NXB khoa học và kỹ thuật [23] Phạm Ngọc Phúc, Ngô Văn Quyết (1999) Tính toán độ bền mỏi chi tiết máy có kể tới xác suất phá hủy. Tuyển tập các công trình khoa hoạc Hội nghị Cơ học vật rắn biến dạng toàn quốc lần thứ VI. Hà Nội 11- 1999 [24] P.I. Orlop (2002) Cẩm nang cơ khí, tập 1. NXB Hải phòng [25] Quân chủng Không quân (1990) Điều lệ công tác kỹ thuật không quân [26] Quân chủng PK-KQ (1995) Thuyết minh kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng máy bay L-39 108 [27] Trương Khánh Châu (1990) Nghiên cứu độ bền mỏi gỉ của các kết cấu làm bằng hợp kim nhôm sử dụng ở vùng khí hậu nhiệt đới ẩm. Tổng kết đề tài cấp Nhà nước mã số 04.05 Chương trình 48D [28] Võ Minh Cẩm (1999) Nghiên cứu công nghệ khai thác máy bay theo trạng thái. Tổng cục Kỹ thuật- Trung tâm nhiệt đới Việt Nga [29] Võ Minh Cẩm, Nguyễn Văn Hồng (2000) Một số vấn đề về khai thác máy bay theo trạng thái ở Việt Nam. Tạp chí Kỹ thuật và trang bị [30] V. Pkogaep (2006) Sổ tay tính toán độ bền tuổi thọ chi tiết máy và kết cấu. NXB Hải phòng [31] Vũ Hồng Quang (2010) “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống kiểm tra khách quan KQ-SAP-12 thay thế hệ thống SARPP-12 trên máy bay huấn luyện L-39, trực thăng Mi-8 và máy bay MiG-21”. Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Nhà nước. Viện kỹ thuật Phòng không - Không quân [32] Vũ Hồng Quang (2014) Hoàn thiện công nghệ và sản xuất thử nghiệm hệ thống kiểm tra khách quan KQ-SAP-12 trên máy bay huấn luyện L-39, trực thăng MI-8 và phát triển ứng dụng cho máy bay SU-22M, Su-22M4 và Mi-172. Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ dự án SXTN cấp Nhà nước. Viện kỹ thuật Phòng không – Không quân [33] Vũ Đình Vui (1983) Ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới ẩm đến ăn mòn khí quyển thép, kẽm và mạ kim loại. Luận án Phó tiến sĩ. [34] Vũ Thường Bồi (1993) Khảo sát tính chất ăn mòn mỏi của hợp kim nhôm có độ bền cao, sử dụng trên máy bay trong môi trường nhiệt đới ẩm (Luận án Phó tiến sĩ KHKT). Viện Kỹ thuật quân sự. Tiếng Anh [35] G.M. Dizk, J.B. Van Jonge (1975) A flight aircraft loading standart for fatigue. Simposium and Cologium, 2-5 June [36] H . I sh iz uk a , V . Sa t o ( 19 92 ) Fretting fatigue strength of axles for bullet train and their maintenance. Sydney Australia 109 [37] Le Quang- P.A. Hung (2004) Study of Stability of Aircraft. Proceedings of 2nd ASIA-PACIFIC Workshop on marine Hydrodynamics, June 21-22-2004, Busan, Korea, page 301-306 [38] Standard Test Method for Plane - Strain Frature Toughness of Metallic Materials. Designation: E 399 - 90. ASTM international, 1997 [39] Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates. Designation: E 647 - 00. ASTM international, 1997 Tiếng Nga [40] В.С. Синявский, В.Д. Вальков (1979) Коррозия и зашита алюминиевых металов. М. Металлургия [41] Г.В. Аскимов (1978) Теория и методы иследования коррозии металов. М. А.Н. СССР [42] Е.С. Иванов (1978) Коррозия и зашита металов. М. Знание [43] И.Л. Розенфельд (1970) Коррозия и зашита металов. М. Металлургия [44] К.А. Туркин и др (1972) Контрукция летательных апаратов. Изд. ВВИА им Жуковсково. [45] Л.Л. Анцелиович (1985) Надёжность безопасност и живутеть самолёта. “Машиностроение”, Москва [46] Л.Д. Брондз (1986) Технология и обеспечение ресурса самолетов. М. Машинастроение [47] Л.Д. Кыонг (1987) Влияние условий эксплуатации на расходование усталостного ресурста элементов планера истребителей. ВВИА имении Жуковскогою. Москва [48] М. Н. Степановб (1973) Усталость легких конструкцонных сплавовю. М. Машинастроение [49] Н.Д. Томашов (1969) Теория коррозий и зашиты металов. М. А.Н. СССР [50] Н.А. Шишаковб, В.В. Андреева (1969) Строение и механизм образования окисных пленок на металлах. М. Техническая химия [51] Н.Н. Смирнов (1980) Обслуживание и ремонт авиационной техники по состоянию. “Транспорт” – Москва. 110 [52] Х. Коцанда (1976) Усталость и разрушение металов. М. Металлургия [53] Ю.И. Бабей, Н.Г. Собрунок (1981) Зашита сталлей от коррозионо- механического разрушения. Киев, Техника [54] M.Н. Шульженко (1971) Контрукция самолетов. М. Машинастроение 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ [1] Lê Nguyên Cường, Lê Đình Cương, Lê Quang, Ngô Sỹ Lộc (2013) Nghiên cứu chế độ chịu tải và tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay theo kết quả phân tích các số liệu trên phim tự ghi của hệ thống kiểm tra khách quan. Tuyển tập công trình Hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc năm 2013. [2] Nguyễn Hữu Đoàn, Lê Nguyên Cường, Đặng Đăng Khoa, Đào Ngọc Khanh (2014) Đánh giá chất lượng lốp máy bay L-39 sản xuất tại Việt Nam bằng phương pháp thực nghiệm. Tạp chí Kỹ thuật và Trang bị, TCKT, BQP. Số 170 tháng 11/2014 . [3] Lê Nguyên Cường, Lê Đình Cương, Đinh Lê Dụ, Lê Quang, Ngô Sĩ Lộc (2014) Nghiên cứu độ bền mỏi gỉ của các phần tử kết cấu máy bay làm từ vật liệu D16AT và B95. Tuyển tập công trình Hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc năm 2014. [4] Nguyễn Hữu Đoàn, Lê Nguyên Cường, Nguyễn Mạnh Tường, Nguyễn Thị Hoà (2015) Nghiên cứu chế tạo lớp phủ nhằm tăng tuổi thọ lốp máy bay. Tạp chí Kỹ thuật và Trang bị, TCKT, BQP. Số 173 tháng 2/2015. [5] Nguyễn Hữu Đoàn, Trần Thị Nga, Nguyễn Quang Hào, Lê Nguyên Cường (2015) Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo cao su mặt lốp máy bay L-39 sản xuất tại Việt Nam. Tạp chí Kỹ thuật và Trang bị, TCKT, BQP. Số 175 tháng 4/2015. [6] Lê Nguyên Cường, Nguyễn Hữu Đoàn, Lê Đình Cương, Lê Quang, Ngô Sỹ Lộc (2015) Nghiên cứu xác định tuổi thọ của lốp máy bay chế tạo tại Việt Nam. Tuyển tập công trình Hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc năm 2015. [7] Le Nguyen Cuong, Nguyen Dac Quang, Tran Quoc Cuong, Dao Ngoc Khanh and Nguyen Phu Khanh (2016) Experimental Investigation and Modeling of the Thermal Cycling Effect on the Mechanical Properties of CFRP. Proceeding of the 7 th International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering (ICMAE), London, England, ISBN 978-1-4673-8828-3, IEEE Catalog Number: CFP1647L-PRT, Part 1, pp 41-45, 2016. 112 PHỤ LỤC