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

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống khai thác máy bay theo định kỳ hiện hành của Quân chủng Phòng không - Không quân (PK-KQ) Việt Nam 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. Trong khi tiêu hao tuổi thọ theo niên hạn đã hết thì tuổi thọ theo giờ bay vẫn còn 30% ÷ 40%. Việc đưa ra khái niệm tiêu hao tuổi thọ thực tế, hay là giờ bay quy đổi, trong đó đã tính đến ảnh hưởng của yếu tố giờ bay và yếu tố niên hạn sẽ góp phần giải quyết mâu thuẫn nêu trên. Nó cũng góp phần vào hướng nghiên cứu để từng bước chuyển hệ thống khai thác máy bay theo định kỳ sang hệ thống khai thác theo trạng thái. Đề tài “Nghiên cứu phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay” nhằm góp phần giải quyết những vấn đề nêu 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 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. - 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: là 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 2 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: 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 luận án, bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế áp dụng cho phần tử vỏ bọc cánh. Về phương pháp, nó có thể áp dụng cho các phần tử khác của kết cấu máy bay. Phương pháp nghiên cứu Lập bài toán và chương trình tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay, xác định các số liệu đầu vào cần thiết cho cho việc giải bài toán. Ảnh hưởng của chế độ chịu tải (bài bay và kỹ thuật lái của phi công) được đánh giá bằng phân tích số liệu về tải 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 được đánh giá bằng thực nghiệm, thử mẫu phần tử kết cấu trên máy thử mỏi gỉ. Để có số liệu phục vụ xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay, đã 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 phù hợp điều kiện Việt Nam. Đề tài 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 quân sự hiện hành. Kết quả đề tài có thể dùng để tham khảo cho khai thác máy bay quân sự, làm cơ sở để tăng hạn sử dụng máy bay của Quân chủng PK-KQ, đồng thời cũng là tiền đề tiến tới việc khai thác kết cấu máy bay theo trạng thái, khi tiêu hao tuổi thọ được xem như một trong những tham số trạng thái của các phần tử kết cấu. 3 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 hay còn gọi là “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 kết cấu máy bay, xác định tần số lặp của tải, để đưa vào bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế. - Bằng thực nghiệm, xác định số chu kỳ phá hủy mỏi 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 bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của phần tử kết cấu máy bay và tìm được phương pháp giải bài toán đó. Cấu trúc 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 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương 2: Xây dựng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay. Chương 3: Xác định tần số tải lặp lên kết cấu máy bay. Chương 4: Xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu máy bay. Chương 5: Chương trình tính toán và kết quả. 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 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, 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 4 sự lão hóa, tức là chống lại sự tích lũy của tổn thất mỏi, biến dạng dão, chống lại mòn và gỉ. Tính năng khai thác của máy bay được đặc trưng bằng các chỉ tiêu cơ bản: độ tin cậy sử dụng, độ bền lâu, độ sống còn và tính công nghệ trong khai thác sử dụng. Độ tin cậy sử dụng là tính chất của sản phẩm, 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 bền lâu là tính chất của sản phẩm 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. Độ bền lâu của các sản phẩm máy bay được đánh giá bằng các chỉ tiêu về tuổi thọ kỹ thuật và niên hạn sử dụng. 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, niên hạn sử dụng, số lần cất cánh và thời hạn cất giữ bảo quản, v.v... 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 nữa, không phụ thuộc vào trạng thái kỹ thuật của chúng lúc đó. Tuổi thọ giữa hai lần sửa chữa là số giờ bay hoặc niên hạn sử dụng của máy bay giữa hai lần sửa chữa. Sau khi sử dụng hết tuổi thọ giữa hai lần sửa chữa, phải đưa máy bay vào sửa chữa. Tuổi thọ giữa hai lần bảo dưỡng kỹ thuật là số giờ làm việc hoặc niên hạn sử dụng quy định giữa các lần bảo dưỡng kỹ thuật. Thời hạn bảo hành là số giờ bay hoặc niên hạn mà Nhà sản xuất bảo hành máy bay đáp ứng tất cả các yêu cầu về chức năng và các tham số kỹ thuật, trong điều kiện Nhà khai thác chấp hành đầy đủ các quy tắc khai thác, bảo quản và vận chuyển. Trạng thái kỹ thuật của máy bay là tập hợp các tính năng được thiết lập trong các văn bản kỹ thuật, đặc trưng bằng các chỉ tiêu ở một thời điểm xác định và thay đổi trong quá trình khai thác sử dụng. 1.2 Phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ của kết cấu máy bay trong hệ thống khai thác hiện hành Hiện nay, ngành hàng không của đa số các nước trên thế giới đang sử dụng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy 5 bay theo giờ bay và niên hạn sử dụng. Đây là phương pháp trung bình hóa cho các điều kiện sử dụng, rất tiện lợi trong công tác thống kê tiêu hao tuổi thọ và điều hành kế hoạch khai thác máy bay. Ngành hàng không Việt Nam đang sử dụng máy bay của nước ngoài (chủ yếu của Nga, Pháp, Mỹ) nên phương pháp tính tiêu hao tuổi thọ máy bay cũng được áp dụng theo quy định của Nhà sản xuất. Tương tự, Quân chủng PK-KQ Việt Nam chủ yếu sử dụng máy bay của Nga nên phương pháp tính tiêu hao tuổi thọ máy bay hiện hành áp dụng theo quy định của Nga (theo giờ bay và niên hạn). Một số loại máy bay của các nước như Mỹ, Pháp, Nga đang áp dụng phương thức khai thác máy bay theo trạng thái (khai thác máy bay theo độ tin cậy và khai thác máy bay theo tham số làm việc), theo các phương pháp này, tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay sẽ phụ thuộc và mức suy giảm độ tin cậy và các tham số làm việc của chúng. Như vậy tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay sẽ không cố định mà phụ thuộc vào chế độ khai thác thực tế của từng máy bay, từng vùng và từng điều kiện sử dụng cụ thể. Đây là phương pháp tiên tiến, hiệu quả kinh tế cao. Ở Việt Nam nếu được áp dụng phương pháp này thì sẽ rất có lợi vì nó đã tính đến các điều kiện khai thác thực tế. Tuy nhiên phương pháp này chưa thể áp dụng trong điều kiện Việt Nam, chủ yếu là do các máy bay sử dụng ở Việt Nam chưa được trang bị các thiết bị kiểm soát độ tin cậy và tham số tới hạn. Nếu nhận chuyển giao công nghệ và trang bị các thiết bị này sẽ phải đầu tư kinh phí rất lớn, không kinh tế. Ở Việt Nam, phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay theo giờ bay và niên hạn tương đối phù hợp đối với các máy bay hàng không dân dụng vì tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay và niên hạn tương đối đồng bộ. Riêng đối với các máy bay quân sự do chế độ bay, điều kiện bảo quản khác biệt so với điều kiện khai thác ở nước sản xuất, đặc biệt là mâu thuẫn giữa giờ bay và niên hạn sử dụng, khi tuổi thọ theo niên hạn đã hết nhưng tuổi thọ theo giờ bay vẫn còn 30% đến 40% nên việc xác định tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay hoặc niên hạn là chưa hợp lý và gây lãng phí. Quân chủng PK-KQ Việt Nam đã khắc phục tình trạng này bằng kiểm tra tăng hạn, nhưng đây chỉ là giải pháp tình thế. Từ đây cũng nảy sinh ý tưởng và mục đích của luận án là tìm một phương pháp thích hợp để tính tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay trong điều kiện thực tế ở Việt Nam. Việc nghiên cứu phương pháp xác định tiêu 6 hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay góp phần giải quyết vấn đề nêu trên. 1.3 Một số khái niệm về mỏi và mỏi gỉ kết cấu máy bay Vòng đời kết cấu máy bay quân sự ở nước ta trải qua các thời gian chính là bảo quản, đứng nghỉ ở mặt đất, quá trình này chiếm khoảng 95% thời gian, chịu tác động của môi trường khí hậu gây hỏng do gỉ và thời gian chạy trên đường băng, cất hạ cánh và bay theo kế hoach, nhiệm vụ, chiếm khoảng 5% thời gian và chịu tác động của tải cơ động, tải lặp gây hỏng hóc do mỏi. Đặc trưng quá trình này là mỏi và gỉ tác dụng đồng thời hoặc đan xen. Quá trình này gọi là quá trình mỏi gỉ. Một số khái niệm đặc trưng của quá trình này là: Mỏi là quá trình tích lũy dần dần hỏng hóc trong bản thân vật liệu, kết cấu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Độ bền mỏi là tính chất của vật liệu, kết cấu chống lại quá trình phá hủy mỏi. Độ bền lâu hay tuổi thọ của vật liệu, kết cấu là khoảng thời gian làm việc của chúng dưới tác động của một chế độ tải và các yếu tố ảnh hưởng khác mà không bị phá hủy. Giới hạn mỏi là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu trình ứng suất cơ sở mà mẫu chuẩn không bị phá hủy. Đường cong mỏi là đường đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa các ứng suất thay đổi với các số chu trình ứng suất phá hủy tương ứng. Ứng suất thay đổi có thể là ứng suất lớn nhất hoặc là biên độ ứng suất. Đường cong mỏi cổ điển có dạng σ = f (N) còn gọi là đường cong Veller (Wohler's Curve). Gỉ là quá trình tác động của môi trường (độ ẩm, nhiệt độ, tạp chất, bụi bẩn lên bề mặt vật liệu, phá hủy bề mặt theo cơ chế hóa học hoặc ăn mòn điện -hóa. Độ bền mỏi gỉ là tính chất của vật liệu, kết cấu chống lại quá trình phá hủy mỏi và gỉ đồng thời hoặc đan xen. Các công trình nghiên cứu về phá hủy mỏi cho thấy sự phá huỷ mỏi là kết quả của các biến dạng dẻo và đàn hồi luân phiên nhau, lặp lại nhiều lần, phân bố không đều trên toàn bộ thể tích chi tiết do tính không đồng nhất vật liệu, những hư hỏng đầu tiên xuất hiện trong các vi khối định hướng không thuận lợi so với tác động của tải trọng, chịu trước các ứng suất dư và bị yếu bởi các khuyết tật cục bộ. 7 Tích tụ dần dần, tổng cộng lần lượt những hư hỏng cục bộ bắt đầu sự phá huỷ tổng thể đối với chi tiết. Quá trình mỏi làm xuất hiện trên bề mặt kim loại các vết nứt tế vi. Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tạp chất trong không khí, v.v...) thẩm thấu vào các kẽ nứt, gây gỉ vật liệu. Hai quá trình mỏi và gỉ tác động tương hỗ với nhau tạo nên hỏng hóc tổng hợp (mỏi gỉ) cho vật liệu kết cấu. Đối với lĩnh vực nghiên cứu tuổi thọ vật liệu kết cấu máy bay, các công trình nghiên cứu đã tập trung vào hai loại hợp kim nhôm D16 và B95 là hai hợp kim chủ yếu của kết cấu máy bay. Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là bằng thực nghiệm. Dưới tác động của tải thay đổi và môi trường ăn mòn, vật liệu bị phá hủy theo cơ chế mỏi gỉ. Hợp kim nhôm D16 và B95 rất nhạy cảm với mỏi gỉ và hầu như không có giới hạn mỏi trong môi trường ăn mòn. 1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực độ tin cậy và tuổi thọ kết cấu máy bay Nghiên cứu khai thác máy bay theo trạng thái là một trong ba chương trình trọng điểm của ngành Kỹ thuật không quân. Để giải quyết vấn đề này các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực độ tin cậy và tuổi thọ máy bay nói chung và kết cấu máy bay nói riêng. Các đề tài nghiên cứu “khai thác có kiểm soát” các máy bay chiến đấu MiG-21BIS, Su-22M3, Su-22M4 và L-39 đã thống kê hỏng hóc trong quá trình khai thác ở điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm, xác định độ tin cậy sử dụng, làm cơ sở xây dựng phương pháp khai thác máy bay theo độ tin cậy. Chương trình “Nghiên cứu khả năng chuyển các máy bay MiG- 21BIS và Su-22 của Không quân Việt Nam sang khai thác theo trạng thái” của Quân chủng PK-KQ hợp tác với Viện nghiên cứu khai thác Không quân Nga đã khảo sát sự đáp ứng của máy bay và hệ thống khai thác máy bay của Không quân Việt Nam để nhận chuyển giao công nghệ khai thác máy bay theo trạng thái có kiểm soát tham số với sự hỗ trợ của thiết bị ARMĐK và ĐOZOR. Viện kỹ thuật và Cục kỹ thuật PK-KQ đã nghiên cứu tổng hợp phương pháp đánh giá độ tin cậy kết cấu máy bay sử dụng trong điều kiện Việt Nam, nhằm xây dựng phương pháp khai thác kết cấu máy bay theo độ tin cậy. 8 Các kết quả nghiên cứu nêu trên được Quân chủng sử dụng làm cơ sở cho tăng hạn sử dụng kết cấu máy bay và triển khai các giải pháp nâng cao độ tin cậy sử dụng máy bay của Quân chủng. Trong chương trình cấp Nhà nước mang mã số 48D, đề tài “Nghiên cứu độ bền mỏi gỉ của các kết cấu làm bằng hợp kim nhôm sử dụng ở vùng khí hậu nhiệt đới ẩm” do Viện sĩ Trương Khánh Châu làm chủ nhiệm đã tập trung nghiên cứu về cơ chế, độ bền mỏi gỉ của kết cấu làm bằng hợp kim nhôm D16AT và B95. Một số công trình khác của Viện kỹ thuật PK-KQ tiếp tục nghiên cứu theo hướng trên. Tổng quan về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này có thể rút ra một số điều như sau: Ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi thọ kết cấu là ứng suất mỏi, sinh ra do tác động của tải lặp và sự lão hóa (gỉ) của kết cấu. Đối với máy bay quân sự có tính cơ động cao, tần số lặp của tải đối với các bài bay huấn luyện, cơ động chiến đấu khác nhau cũng khác nhau và tổn thất mỏi ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi thọ kết cấu. Việc xác định tuổi thọ mỏi gỉ cho kết cấu máy bay thường được giải quyết bằng thực nghiệm, thông qua các phần tử hoặc tổng thể kết cấu. Thông thường phần tử kết cấu được mô phỏng thành mẫu thử và thử nghiệm để xây dựng đường cong mỏi. Các phần tử kết cấu máy bay cần thử nghiệm xác định tuổi thọ có thể là vỏ bọc chịu lực, khung, sườn, xà, nẹp. Đối với lĩnh vực nghiên cứu tuổi thọ vật liệu kết cấu máy bay, các công trình nghiên cứu đã tập trung vào hai loại hợp kim nhôm D16AT và B95 là hai loại hợp kim chủ yếu của kết cấu máy bay. Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là bằng thực nghiệm. 1.5 Tổng quan về nghiên cứu giải mã và số hóa các tham số bay trên thiết bị kiểm tra khách quan của máy bay Trên bất kỳ máy bay nào, Nhà sản xuất máy bay cũng đều trang bị hệ thống kiểm tra khách quan các tham số bay hay còn gọi là “hộp đen”. Số liệu này được đọc và ghi lại sau mỗi chuyến bay với mục đích giảng bình, kiểm tra bay và tìm nguyên nhân tai nạn. Thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống kiểm tra khách quan KQ-SAP-12 thay tế hệ thống SARPP-12 trên máy bay L-39, MIG-21 và MI-8” và dự án sản xuất thử nghiệm cấp Nhà nước, Viện kỹ thuật PK-KQ đã nghiên cứu thành công việc giải mã, đọc tham số bay và phân tích chúng theo phần mềm trên máy tính. Sau mỗi chuyến bay, 9 thiết bị mặt đất được cắm vào máy bay thu số liệu từ thiết bị gắn trên máy bay, không cần tháo “hộp đen” xuống như trước. Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu sử dụng các số liệu trên “hộp đen” cho mục đích nghiên cứu tuổi thọ mỏi của kết cấu thông qua việc phân tích phổ tải lên kết cấu, đánh giá mức độ chịu tải của kết cấu và các phần tử kết cấu. Kết quả đã xác định được cường độ phá hủy mỏi các phần tử kết cấu, phân chia các bài bay thành nhóm theo mức độ ảnh hưởng đến tuổi thọ. 1.6 Tổng quan về máy bay và kết cấu máy bay L-39 Máy bay L-39 là loại máy bay huấn luyện hai chỗ ngồi với động cơ tuabin phản lực, dùng để huấn luyện sơ cấp và nâng cấp phi công trước khi chuyển sang bay máy bay chiến đấu. Khi cần nó có thể sử dụng như máy bay chiến đấu và tấn công mặt đất. Một số tính năng kỹ thuật cơ bản của máy bay: khối lượng cất cánh lớn nhất là 4.701 kg, khối lượng hạ cánh lớn nhất là 4.600 kg. Máy bay lắp động cơ AI-25TL, vận tốc lớn nhất là 890 km/h, số M lớn nhất là 0,8. Hệ số quá tải đứng ny với G = 4200 kg bằng - 1 đến 6. Kết cấu máy bay L-39 bao gồm thân, cánh và đuôi. Kết cấu thân kiểu truyền thống gồm 46 khung thân, 16 nẹp dọc và vỏ bọc. Thân máy bay gồm phần trước và phần sau, được nối với nhau bằng các ốc cấy tháo lắp được từ phía ngoài thân. Cánh máy bay có kết cấu liền trái, phải, gồm có vỏ bọc, 14 sườn, 7 nẹp dọc và 3 dầm. Các nẹp có mặt cắt hình chữ L, dầm trước, sau và sườn có mặt cặt hình chữ C, dầm giữa có mặt cắt chữ I. Các dầm, vỏ bọc và nẹp cánh được làm từ vật liệu D16AT, các sườn làm từ vật liệu B-95. Đuôi máy bay gồm đuôi đứng và đuôi ngang, có kết cấu kiểu truyền thống với kết cấu bao gồm dầm, sườn, nẹp dọc và vỏ bọc. Tuổi thọ do Nhà sản xuất ấn định cho máy bay L-39 là 4.500 giờ bay và 25 năm, chế độ bảo dưỡng định kỳ theo 100 giờ, 200 giờ bay. Nhà máy A41 Quân chủng PK-KQ đã thực hiện thành công dự án sửa chữa lớn máy bay L-39 kết hợp tăng hạn lên trên 30 năm. Với kết cấu máy bay L-39, phần vỏ bọc gốc cánh (mặt dưới) là một trong các phần tử hay bị hỏng do rạn nứt và gỉ. Chúng chịu tải kéo xung, nằm gần trọng tâm máy bay. Phần tử này cũng nằm ở phía dưới, chịu tác động trực tiếp của môi trường ẩm, khí hậu, bụi bẩn khi máy bay cất, hạ cánh. Vì vậy nó được luận án chọn làm đối tượng khảo sát tiêu hao tuổi thọ thực tế. 10 1.7 Kết luận chương I Tiêu hao tuổi thọ kết cấu máy bay và phương pháp xác định chúng trong hệ thống khai thác hiện hành đang tồn tại nhiều bất cập cần nghiên cứu giải quyết. Bất cập lớn nhất là mâu thuẫn giữa tiêu hao tuổi thọ theo giờ bay và theo niên hạn. Việc nghiên cứu tìm phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế, trong đó xét đến ảnh hưởng của cả hai yếu tố “giờ bay” và “niên hạn” góp phần giải quyết vấn đề nêu trên. Đây cũng là mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài luận án này. 2 CHƯƠNG II: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TIÊU HAO TUỔI THỌ THỰC TẾ CỦA KẾT CẤU MÁY BAY 2.1 Sự cần thiết phải xây dựng phương pháp Trong hệ thống khai thác kết cấu máy bay theo định kỳ hiện hành, mâu thuẫn giữa tiêu hao tuổi thọ kết cấu theo giờ bay và theo niên hạn đang là vấn đề nổi cộm. Khái niệm tiêu hao tuổi thọ thực tế trong đó đã tính đến ảnh hưởng yếu tố giờ bay và niên hạn có thể góp phần giải quyết mâu thuẫn trên. Vì vậy, nghiên cứu phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay là việc làm cần thiết, góp phần giải quyết vấn đề nêu trên. 2.2 Cơ sở khoa học để xây dựng phương pháp Cơ sở khoa học để xây dựng phương pháp là sự đánh giá định lượng các yếu tố ảnh hưởng (bài bay, kỹ thuật lái, môi trường khí hậu và niên hạn) đến tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay. 2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu hao tuổi thọ kết cấu 2.2.1.1 Ảnh hưởng của điều kiện môi trường, khí hậu Nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Việt Nam đã công bố kết quả nghiên cứu ăn mòn khí quyển theo các vùng núi (I), thành phố công nghiệp (II) và ven biển (III), được tổng hợp trong bảng 2.2 và đồ thị hình 2.5. Bảng 2.2 Ăn mòn khí quyển đối với hợp kim D16AT, tính bằng mg/m2 Vùng ko α Thời gian τ, năm 1 5 10 15 20 I 0,88 0,24 0,78 2,56 3.32 3,56 3.64 II 8,00 0,42 6,53 16,74 18,76 19.01 19,05 III 1,80 0,00 1,80 9,00 18,00 27,00 36,00 11 Hình 2.5 Mức độ gỉ của mẫu hợp kim nhôm D16AT có độ dày 2 mm ở các vùng và thời gian khác nhau . I- Vùng núi, II- vùng thành phố, III- vùng ven biển 2.2.1.2 Ảnh hưởng của chế độ bay Các số liệu về mức độ gỉ của hợp kim nhôm theo thời gian và vùng khí hậu là cơ sở để đánh giá tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay. Chế độ bay (bài bay) quyết định đến tải tác động lên kết cấu và có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền và tuổi thọ kết cấu. Khi thực hiện các động tác cơ động như thay đổi độ cao, tốc độ bay, nhào lộn, thắt vòng, gió, khi hạ, cất cánh chạy đà trên đường băng gồ ghề, v.v.. sẽ gây tải lên kết cấu của máy bay. Theo kết quả các công trình nghiên cứu thì tần số lặp của quá tải khi thực hiện các bài bay khác nhau trên cùng một máy bay phụ thuộc rất lớn vào bài bay (hình 2.6). Hình 2.6. Tần số lặp tích hợp trung bình của tải đối với các bài bay 1. Công kích mục tiêu trên không; 2. Trinh sát thời tiết; 3. Bay vòng kín; 4. Bay đường dài; 5. Bay không vực cơ động trung bình; 6. Đánh chặn; 7. Tấn công mục tiêu mặt đất; 8. Bay không vực cơ động cao. 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 % độ dày năm 0 0,1 1 10 100 fi(l/g) 1 2 3 4 5 6 7 8 ny 1 2 3 4 5 6 7 8 I II III 12 2.2.1.3 Ảnh hưởng của kỹ thuật lái của các phi công Ảnh hưởng của kỹ thuật lái của phi công lên tiêu hao tuổi thọ thực tế của máy bay có thể đánh giá bằng phân tích số liệu về tải của hệ thống kiểm tra khách quan lắp trên máy bay, xác định tần số tải lặp của nhiều chuyến bay của nhiều phi công khác nhau. Kết quả cho thấy khi phi công có kỹ thuật bay tốt thì tải lên kết cấu sẽ đúng như quy định trong nội dung bài bay, khi kỹ thuật bay của phi công chưa tốt do trình độ, tâm lý hoặc chưa có kinh nghiệm bay thì tải sẽ không đúng như quy định, có khi còn có những đột biến. 2.2.2 Khả năng kiểm soát và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ kết cấu máy bay - Tải lên kết cấu máy bay gây ra do bài bay, kỹ thuật lái của phi công, gió, trạng thái đường băng cất hạ cánh, v.v... Phân tích các số liệu về phổ tải của hệ thống kiểm tra khách quan hay còn gọi là “hộp đen” của máy bay có thể đánh giá ảnh hưởng tổng thể của các yếu tố trên. - Ảnh hưởng của điều kiện môi trường, khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, độ ô nhiễm không khí, niên hạn sử dụng, v,v...) lên tuổi thọ kết cấu có thể được đánh giá bằng phương pháp thực nghiệm. Tiến hành phơi mẫu trong các điều kiện môi trường, vùng khí hậu khác nhau và theo niên hạn lấy về thử mỏi gỉ trên máy thử, có thể đánh giá ảnh hưởng tổng thể của các yếu tố nêu trên. 2.3 Nội dung cơ bản của phương pháp và bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu Tiêu hao tuổi thọ thực tế theo phương pháp này được xác định bằng “giờ bay quy đổi”, trong đó đã có tính đến ảnh hưởng của niên hạn sử dụng, vùng khí hậu và chế độ bay thực tế. Bài toán xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu tóm tắt như sau: Tuổi thọ thực tế của kết cấu làm việc trong điều kiện mỏi, chịu tải lặp được xác định theo công thức sau: Ttt = 1 h l𝑡𝑡 (2.5) Trong đó: Ttt - Tuổi thọ thực tế của kết cấu; ltt - cường độ phá huỷ mỏi thực tế của kết cấu; h - hệ số tin cậy tính đến độ tản mạn của kết quả thử nghiệm mỏi, độ chính xác của các số liệu thống kê về tải, v.v, theo kinh nghiệm từ nhiều công trình nghiên cứu, hệ số này bằng 4 ÷ 5. 13 Cường độ phá huỷ mỏi thực tế của kết cấu theo thuyết độ bền mỏi được xác định theo công thức: 1 /n i tt i i n t N l   (2.6) trong đó: ni/t là số chu kỳ của mức tải nyi trong đơn vị thời gian. Ký hiệu: ni/t = fi gọi là tần số lặp của tải mức nyi, sẽ có: 1 n i tt i i f N l   (2.7) Trong đó: ƒi - tần số lặp; Ni - số chu kỳ phá hủy mỏi của tải nyi. Thay giá trị ltt công thức (2.7) vào (2.5), ta có: 1 1 tt n i i i T f N h    (2.8) Gọi tỷ số của cường độ phá hủy mỏi thực tế kết cấu máy bay là ltt và cường độ phá hủy mỏi ấn định lad là hệ số quy đổi tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay và ký hiệu là Ktt ta có: Ktt = 𝜆𝑡𝑡 𝜆𝑎𝑑 (2.9) Trong đó: λtt = 1 𝑇𝑡𝑡 (2.10) λad = 1 𝑇𝑎𝑑 (2.11) Thay (2.10), (2.11) vào (2.9), có: Ktt = 𝑇𝑎𝑑 𝑇𝑡𝑡 (2.12) Thay các giá trị Ttt từ (2.8) vào (2.12), ta được: Ktt = 1 n i ad i i f T N h   (2.13) Như vậy để xác định hệ số quy đổi tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu làm việc trong điều kiện mỏi gỉ, chịu tải lặp cần phải xác định được hai tham số chính: Tần số tải lặp fi của các giá trị tải nyi , số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ Ni của tải lặp nyi. Tiêu hao tuổi thọ thực tế τtt hay là “giờ bay quy đổi” của mỗi chuyến bay được tính theo công thức: τtt = τ. Ktt (2.14) 14 trong đó: τ - thời gian bay tính theo giờ, Ktt - hệ số quy đổi tiêu hao tuổi thọ thực tế, tính theo công thức (2.13) 2.4 Một số yêu cầu để áp dụng phương pháp Để áp dụng phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay, cần có: - Chương trình phần mềm tính và thống kê tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay (hay là thống kê giờ bay qui đổi); - Số liệu về tải của hệ thống kiểm tra khách quan DTS-39-12; - Số liệu độ bền mỏi gỉ phần tử kết cấu và bảng hệ số ảnh hưởng điều kiện môi trường, khí hậu; - Nhân viên tính toán, thống kê. 2.5 Kết luận chương II Phương pháp xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay được đề xuất và xây dựng là một phương pháp phù hợp và khả thi trong điều kiện khai thác máy bay ở Việt Nam. Nội dung cơ bản của phương pháp này là xác định ảnh hưởng của các yếu tố khai thác như chế độ chịu tải (bài bay, kỹ thuật lái), điều kiện môi trường khí hậu (vùng và niên hạn) lên tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu. 3 CHƯƠNG III: XÁC ĐỊNH TẦN SỐ TẢI LẶP LÊN KẾT CẤU MÁY BAY 3.1 Đặt vấn đề Mục tiêu của chương III là xác định tần số tải lặp lên kết cấu làm dữ liệu đầu vào bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế đã lập ở chương II. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ chịu tải lên độ bền mỏi và tuổi thọ kết cấu, người ta quan tâm nhất đến thành phần quá tải đứng ny là thành phần tải lặp có ảnh hưởng lớn nhất đối với tuổi thọ kết cấu. Giải mã, phân tích số liệu của hệ thống kiểm tra khách quan lắp lên máy bay kết hợp tính toán, có thể xác định được tần số lặp của tải đối với từng mức tải và của từng bài bay. 3.2 Phương pháp mô phỏng để xác định tần số tải lặp lên kết cấu Khi nghiên cứu về phá hủy mỏi, người ta chấp nhận giả thuyết cộng tuyến tính các tổn thất mỏi. Để xác định tải lên kết cấu, giải bài toán về phá hủy mỏi, thử nghiệm độ bền mỏi, thường phải chuyển đổi phổ tải ngẫu nhiên của chuyến bay thành phổ tải mô phỏng. 15 Có một số phương pháp mô phỏng như: phương pháp cực đại, cực trị, “xung”, “sải”, chu trình toàn phần, đường đồng mức, v.v Luận án đã phân tích một số phương pháp mô phỏng chính nêu trên và lựa chọn phương pháp “xung” để tính toán và thử nghiệm mỏi. 3.3 Sử dụng hệ thống kiểm tra khách quan DTS-39-12 để xác định các thông số về tải lên kết cấu máy bay Hệ thống kiểm tra khách quan DTS-39-12 trên máy bay L-39 bao gồm các thành phần chính sau: - Các truyền cảm tín hiệu, thiết bị điều khiển, bảo vệ; - Thiết bị ghi thông tin trên máy bay GTS-SAP-12; - Thiết bị đọc và giải mã thông tin ở mặt đất DTS-39-12. Thiết bị giải mã thông tin mặt đất DTS-39-12 có khả năng: - Kết nối trực tiếp với thiết bị GTS-SAP-12 để sao chép thông tin từ bộ nhớ trong khối LT-SAP-12 phục vụ việc giải mã mà không cần phải tháo đưa vào trạm giải mã như các loại phim, băng từ; - Kết nối trực tiếp với khối MH-SAP-12 để đọc thông tin và xây dựng đồ thị chuẩn mà không cần tháo rời; - Hiển thị các tham số theo thời gian ở dạng đồ thị, dạng bảng tham số và dạng mã. Từ các số liệu đầu ra của hệ thống DTS-39-12 là đồ thị hoặc bảng giá trị quá tải đứng ny, luận án đã xây dựng thêm phần mềm xác định tần số tải lặp theo các mức tải trong chuyến bay. Số liệu tần số tải lặp của tải lên kết cấu có thể tính toán cho từng chuyến bay. Kết quả tính toán cho 3 bài bay đặc trưng biểu diễn trên hình 3.4. Hình 3.4 Tần số lặp của tải lên kết cấu máy bay L-39 của 3 bài bay (1. Bay cơ động cao; 2. Bay cơ động trung bình; 3. Bay cơ động thấp) 3.4 Kết luận chương III 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 1 10 100 1000 0.8 1.3 1.8 2.3 2.8 3.3 3.8 4.3 ny fi(l/h) 1 2 1 3 1 16 dung bài 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,với bài bay cơ động trung bình con số đó là 25,9 lần/giờ, bài bay cơ động thấp nó chỉ bằng 6,8 lần/giờ. Kết quả phân tích và xác định tần số tải lặp có thể đưa ra dưới dạng bảng số liệu hoặc đồ thị tần số lặp của tải. Đây sẽ là các số liệu đầu vào cho chương trình tính toán tiêu hao tuổi thọ thực tế kết cấu máy bay. 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 của phần tử kết cấu làm dữ liệu đầu vào bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế đã lập ở chương II. Xác định độ bền mỏi gỉ hay là xây dựng đường cong mỏi cho kết cấu máy bay thường được giải quyết bằng thực nghiệm. Thông thường phần tử kết cấu được mô phỏng thành mẫu thử và thử nghiệm để xây dựng đường cong mỏi. Các phần tử kết cấu thử nghiệm có thể là khung, xà, sườn, nẹp và vỏ bọc chịu lực. 4.2 Phương pháp nghiên cứu Để xác định độ bền mỏi gỉ của phần tử kết cấu, phù hợp nhất là phương pháp thực nghiệm. Nội dung phương pháp này là các phần tử kết cấu được mô phỏng thành mẫu thử. Mẫu thử có hình dáng và vật liệu tương tự phần tử kết cấu và được gia tải mô phỏng điều kiện chịu tải của nó. Đối tượng nghiên cứu của luận án đã lựa chọn là phần tử vỏ bọc chịu lực phía dưới gốc cánh máy bay L-39. Để thử nghiệm, chúng được mô phỏng thành mẫu thử như hình 4.1 và 4.2. Phương pháp thử mỏi tiến hành theo Tiêu chuẩn TCVN 8185: 2009 (ISO1099: 2006). Quá trình thử như sau: - 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. Kích thước và quy cách mẫu thử tự nhiên theo hình 4.1. - Mẫu thử tự nhiên lấy về, sau khi đã thử các nội dung không phá hủy mẫu như đo đạc độ gỉ theo khối lượng, theo chiều sâu, diện tích vết gỉ, v.v sẽ được gia công thành mẫu thử mỏi (hình 4.2). Tiến hành thử nghiệm trên máy để xây dựng các đường cong mỏi. 17 4.3 Thiết bị thử mỏi-gỉ Thử mỏi gỉ mẫu 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, Viện kỹ thuật PK-KQ. Để phục vụ cho đề tài, nghiên cứu sinh đã chủ trì cải tiến và hoàn thiện thiết bị, thiết kế, lắp đặt thêm hệ thống tạo xung tải vuông và xung tải hình thang, hệ thống ghi tự động kết quả khi đứt mẫu. Máy được 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 Một số tính năng kỹ thuật chính của thiết bị: áp suất ra lớn nhất của bơm thủy lực: 21MPa, khả năng điều chỉnh áp suất thủy lực: 0÷21MPa, 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. 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 Hình 4.1 Mẫu thử tự nhiên Hình 4.2 Mẫu thử mỏi - gỉ dày 2mm 18 cho bài toán tính tiêu hao tuổi thọ thực tế phần tử kết cấu, trong khuôn khổ thực hiện luận án, NCS đã tiến hành thử nghiệm một số phương án mẫu thử trong môi trường không khí và trong dung dich 3,5% NaCl và mẫu thử với các chiều sâu vết gỉ khác nhau (hình 4.4 và 4.5) và 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 đối chứng kết quả. Hình 4.4. Mẫu thử trong môi trường không khí (1) và trong dung dịch 3,5% NaCl (2) Hình 4.5 Độ bền mỏi của hợp kim nhôm D16AT với các mức độ gỉ .I-gỉ 0%, II-gỉ 3%, III-gỉ 5%, IV-gỉ 10%, V-gỉ 15%, VI- gỉ 20% Hình 4.6. Mẫu ở Bạch Mai sau 2 năm (1) và 3 năm (2) Hình 4.7. Mẫu ở Yên Bái sau 1 năm (1) và 3 năm (2) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 1 2 3 4 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 III II I V Ki Ni x 10 5 Ni x 10 5 Ki 1 2 IV VI 19 Hình 4.8. Mẫu sau 1 năm tại Nha Trang (1), Đà Nẵng (2) và Tân Sơn Nhất (3) Hình 4.9. Mẫu sau 2 năm tại Bạch Mai (1) và Yên Bái (2) Hình 4.10. Mẫu có phủ chất ức chế (1) và không có chất ức chế (2) Hình 4.11. Mẫu có lau chùi (1) và không bảo quản (2) 4.5 Sử dụng đồ thị các đường cong mỏi gỉ để tính toán số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ kết cấu Mức độ ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến tuổi thọ kết cấu máy 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. 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 2.5), đã xác định được các hệ số ảnh hưởng của điều kiện khí 20 hậu i đối với các vùng khí hậu đặc trưng và thời gian sử dụng khác nhau. Kết quả tính toán hệ số i thể hiện trong trong bảng 4.2. Bảng 4.2 Hệ số ảnh hưởng i ở các vùng khí hậu và niên hạn (I-vùng núi, II-vùng thành phố, III-vùng bờ biển) T (năm) ki V 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 đồ thị đường cong mỏi, dùng phương pháp nội suy Newton hay “hồi quy đa thức”, 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 số liệu các đường cong mỏi gỉ nhận được bằng thử nghiệm trên máy mỏi gỉ, chúng ta có thể rút ra phương trình chung của các đường cong mỏi gỉ vật liệu kết cấu có dạng: 𝑘𝑖 3 𝛽𝑖 𝑁𝑖 = 1,28.10 4 (4.10) Từ đó: 𝑁𝑖 = 1,28.104 𝑘𝑖 3 𝛽𝑖 (4.11) Phương trình (4.11) giúp tính toán Ni làm số liệu đầu vào bài toán tính tiêu hao tổi thọ thực tế phần tử kết cấu. 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. 21 - 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 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 Phòng không - Không quân (VKT) cho thấy sai số trung bình nhỏ hơn 10%. Đối với thử mỏi gỉ, sai số như thế có thể chấp nhận được. 5 CHƯƠNG V: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ KẾT QUẢ 5.1 Cơ sở xây dựng chương trình Bài toán xác định tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu đã được xây dựng ở mục 2.3, số liệu về tải và tần số tải lặp đã được xác định ở muc 3.3 và số liệu về độ bền mỏi, số chu kỳ phá hủy mỏi gỉ và phương trình đường cong mỏi gỉ đã được xác định ở mục 4.5 là cơ sở để xây dựng phần mềm tính toán tiêu hao tuổi thọ thực tế của kết cấu máy bay. 5.2 Lưu đồ thuật toán của chương trình phần mềm 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, niên hạn sử dụng để từ đó tự động truy suất vào thư viện dữ liệu theo 22 hệ số mức tải ki 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 tần số lặp fi của tải nyi, số chu kỳ phá hủy Ni của hệ số mức tải Ki, và tự động tính ra λi. Tổng toàn bộ λi của cả chuyến bay sẽ là λ chuyến bay, phần mềm sẽ tính được hệ số Ktt và ra được giờ bay quy đổi τtt. Sau khi thực hiện một loạt thao tác tuần tự như vậy phần mềm sẽ lưu lại số giờ bay quy đổi 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. 5.3 Kết quả tính toán tiêu hao tuổi thọ thực tế Sau mỗi chuyến bay, hệ thống kiểm tra khách quan lấy số liệu 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 quy đổi tiêu hao tuổi thọ thực tế, tiêu hao tuổi thọ thực tế, tuổi thọ thực tế còn lại. Kết quả tính toán có thể thực hiện cho từng bài bay và liên tục sau mỗi chuyến bay. Bảng 5.1, 5.2 và 5.3 thể hiện kết quả tính toán cho 3 bài bay tiêu biểu của máy bay L-39 tại vùng bờ biển. Bảng 5.1 Kết quả tính toán cho bài bay cơ động thấp (nymax = 1,8) Thời gian (năm) l 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) l 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) l 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 23 5.4 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 may 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, hệ số quy đổi tiêu hao tuổi thọ thực tế có giá trị từ 1,1 đến 1,5; với các bài bay cơ động trung bình, con số đó là 0,6 đến 0,8 trong khi các bài bay cơ động thấp, 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 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. 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 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 24 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. 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.