ОСНАСТКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ИЗГИБ КОНСТРУКТИВНО-ПОДОБНЫХ ОБРАЗЦОВ ГИБРИДНОЙ ПАНЕЛИ КРЫЛА
EQUIPMENT FOR FLEXURE TESTING CONSTRUCTIVE-LIKE SAMPLES OF HYBRID WING PANEL

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов и может быть использовано для определения силовых характеристик конструктивно-подобных образцов, работающих в условиях статического нагружения.
Применение новых гибридных материалов на основе металлов и полимеров в конструкциях авиационной техники ставит задачу накопления экспериментальных данных по прочности таких конструкций. Так, были разработаны гибридные конструкции крыла самолета, для оценки силовых характеристик которых требуется испытание конструктивно-подобных образцов, а затем и всей конструкции. В частности, потребовалась оценка силовых характеристик конструктивно-подобных образцов сварной панели крыла со стрингерами с гибридными накладками для подтверждения расчетов на прочность и ресурс.
Для испытаний конструктивно-подобных образцов сварной панели крыла с гибридными накладками с целью определения их эффективности допустимо нагружать только исследуемую зону гибридных накладок. Предпочтительной схемой нагружения конструктивно-подобных образцов в этом случае является изгиб, при котором наиболее сильно нагружаются поверхностные, относительно действия нагрузки, слои панели, на которых располагаются гибридные накладки. При этом возникающие напряжения при изгибе в местах крепления гибридных накладок рассчитываются известными способами сопротивления материалов, а смена схемы нагружения от сжатия к изгибу позволяет снизить максимальные нагрузки при испытаниях конструктивно-подобного образца в 7 раз.
Конструктивно-подобный образец сварной панели крыла со стрингерами представляет собой прямоугольный фрагмент панели с параллельными стрингерами - балками таврового сечения. Обычно образец имеет от двух до пяти стрингеров.
Гибридные накладки представляют собой слои полимерных композитных материалов, обычно угле- и стеклопластика, и используются для увеличения жесткости и напряжения потери устойчивости конструктивно-подобного сварной панели крыла, что реализуется за счет размещения их максимально удаленно от центра массы панели.
Известны способы нагружения панелей крыла согласно действию средних нормальных напряжений в конструкции (Воропаев С.А., Семенчук И.Н., Вдовиченко А.Г., Полиник А.Н. Определение остаточной прочности трехстрингерной клепаной панели с поперечной центральной трещиной в обшивке и разрушенным стрингером методом конечных элементов с помощью ВК MSC.Marc. Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии, №53, 2012 г., с. 112-123). Для имитации эксплуатационных нагрузок испытания конструктивно-подобных образцов проводят с приложением нагрузок к торцам панели: нижние панели крыла нагружают по схеме растяжения с приложением циклических нагрузок, а верхние панели - по схеме сжатия с приложением монотонно возрастающей нагрузки до момента потери устойчивости панели.
Такой способ испытания гибридных панелей на сжатие, однако, сложно осуществлять из-за необходимости обеспечивать дополнительное подкрепление торцов конструктивно-подобных образцов в местах соединений гибридной усиливающей накладки с основным материалом панели, проводить расчеты центра тяжести сечения с учетом разности в жесткости гибридных накладок и основного материала панели, а также использовать испытательные машины с большим усилием.
Известны стандартизированные способы испытаний на изгиб образцов металлических и неметаллических листовых или имеющих прямоугольное поперечное сечение материалов (ГОСТ 25.604, 4648, 9454, 9550, 14019, 18228, 27208), для которых применяются стандартные приспособления (оснастка) в виде двух опор и нагружающего наконечника со скругленными контактным поверхностям. Размер оснастки для испытания стандартных образцов не позволяет использовать ее для испытаний конструктивно-подобных образцов, даже только обшивочной части (листового образца соединенных вместе основного материала панели и гибридной накладки) гибридной сварной панели со стрингерами, поскольку в условиях нагружения при незначительной площади контактной поверхности нагружающего наконечника и поверхности гибридной панели повреждается (подвергается хрупкому разрушению) гибридная накладка. Увеличение размеров стандартных приспособлений в некоторых случаях может позволить провести испытание обшивочной части гибридной сварной панели на трехточечный изгиб, однако сдвиговые напряжения, создаваемые в тонком сечении на границе гибридной накладки и основного материала, не адекватны напряжениям, создаваемым в образце сложного сечения (со стрингерами), что приводит к изменению напряженно-деформированного состояния зоны усиления с гибридными накладками и, как следствие, к необъективной оценке прочностных свойств конструктивно-подобных образцов.
Использование стандартной оснастки возможно при испытаниях на изгиб обшивочной части конструктивно-подобных образцов сварной панели крыла с гибридной накладкой (листового образца соединенных вместе основного материала панели и гибридной накладки, без стрингеров), однако сдвиговые напряжения, создаваемые в тонком сечении на границе гибридной накладки и основного материала, не адекватны напряжениям, создаваемым в образце со стрингерами, что приводит к изменению напряженно-деформированного состояния зоны усиления с гибридными накладками и, как следствие, к необъективной оценке прочностных свойств конструктивно-подобных образцов.
Известно приспособление в виде двух опор и наконечника с прорезью для фиксирования образца углепластика в форме балки Т-образного сечения (CN 204101369 U, 14.01.2015). Фиксирование образца позволяет повысить точность результатов испытания.
Приспособления, применяемые для испытания конструктивно-подобных образцов сварной панели крыла с гибридными накладками и стрингерами на трехточечный изгиб, не выявлены.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - создание оснастки для испытаний конструктивно-подобных образцов гибридных панелей крыла со стрингерами на трехточечный изгиб для сравнения эффективности применения различных вариантов конструкции и технологий изготовления сварных панелей крыла с гибридными накладками.
Технический результат заключается в том, что предлагаемая оснастка в виде двух опор и нагружающего наконечника позволяет зафиксировать стрингеры и обеспечить устойчивость конструктивно-подобного образца гибридной сварной панели в процессе испытания на трехточечный изгиб, а также позволяет предотвратить возможность локального смятия и хрупкого разрушения гибридных накладок за счет снижения напряжений, возникающих в образце при испытании, ниже уровня напряжения локального смятия и хрупкого разрушения гибридных накладок.
Технический результат достигается за счет предложенной оснастки в виде двух одинаковых опор и нагружающего наконечника со скругленными контактными поверхностями для испытаний на трехточечный изгиб конструктивно-подобных образцов гибридной панели крыла с продольными стрингерами, при этом длина нагружающего наконечника больше длины хотя бы одной из сторон обшивки образца панели, каждая опора имеет форму прямого бруса с прямоугольным поперечным сечением, длина каждой опоры больше расстояния между внешними боковыми гранями полок крайних стрингеров, каждая опора имеет вырез прямоугольного сечения для каждого стрингера глубиной не менее высоты полки стрингера и шириной основания выреза, равной ширине полки стрингера с основным отклонением H и точностью не хуже 9 квалитета, причем скругленное основание каждого выреза является контактной поверхностью опоры, а площадь контактной поверхности нагружающего наконечника и площадь контактной поверхности каждой опоры определяются из условия возникновения в образце напряжений при испытании ниже напряжения локального смятия и хрупкого разрушения гибридных накладок.
Оснастку изготавливают из материала твердостью выше 45 HRC, предпочтительно из высокопрочной стали. Геометрические размеры нагружающего наконечника и нижних опор выбираются таким образом, чтобы исключить их деформирование при испытаниях. Вырезы для стрингеров в опорах предпочтительно выполняют сквозными. Такой вариант исполнения позволяет изменять расстояние между нижними опорами и создавать разные уровни сдвиговых напряжений, максимум которых находится в приповерхностных слоях, включая место контакта гибридных накладок с основным материалом панели, и проводить испытания при сниженных нагрузках.
Длина нагружающего наконечника должна быть больше стороны панели, вдоль которой он располагается. Если длина нагружающего наконечника больше любой стороны образца панели, испытания можно проводить с нагружением образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях - вдоль стрингеров и поперек.
На фигуре 1 представлено поперечное сечение конструктивно-подобного образца сварной гибридной панели крыла 1 с двумя стрингерами 2, гибридными накладками 3 на полках 4 стрингера и над сварным швом 5.
На фигуре 2 показана оснастка для испытаний на изгиб конструктивно-подобных образцов гибридной панели крыла 1 с двумя стрингерами.
Оснастка включает нагружающий наконечник 6 и две опоры 7, имеющие сквозные вырезы для стрингеров, расположенные друг относительно друга на расстоянии, равном расстоянию между стрингерами. Нагружающий наконечник имеет скругленную контактную поверхность 8. Каждая опора имеет скругленную контактную поверхность 9 (указана только в одном вырезе), полученную при скруглении основания выреза. Площадь контактной поверхности опор и площадь контактной поверхности нагружающего наконечника зависят от радиуса скругления контактной поверхности и определяются исходя из величины возникающих при испытании напряжений: они должны быть ниже напряжения локального смятия и хрупкого разрушения гибридных накладок. Это позволяет предотвратить возможность локального смятия и хрупкого разрушения гибридных накладок за счет снижения напряжений, возникающих в образце при испытании, ниже уровня напряжения локального смятия и хрупкого разрушения гибридных накладок.
Для проведения испытания на трехточечный изгиб конструктивно-подобный образец гибридной сварной панели 1 с гибридными накладками 3 располагают на опорах 7, помещая полки 4 стрингеров 2 в соответствующие вырезы в опорах. Причем опоры размещают параллельно друг другу на равном расстоянии от нагружающего наконечника на неподвижной основе испытательной машины, а продольную ось нагружающего наконечника 6 располагают параллельно или перпендикулярно опорам, в зависимости от целей испытания.