ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЛОПАСТИ МОДЕЛИ ВОЗДУШНОГО ВИНТА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области испытаний на прочность при создании воздушных винтов нового поколения.
Как правило, стандартные образцы для испытания на прочность лопастей моделей воздушных винтов, имеют плоскую или цилиндрическую форму с утонениями в сечениях зоны предполагаемого разрушения и усилением в местах крепления к захватам разрывной машины.
Известны стандартные образцы описанные в ГОСТ 11262-80, ГОСТ 25.601-80, и в стандарте ASTM D 63 8 (Dastin S., LubinG., Mungak J. and Slobodzinski A., «Mechanical Properties and Test Techniques for Reinforced Plastic Laminates, Technical Publication» No. 460, ASTM, 1970; Справочник по композиционным материалам. Кн.2, под ред. Дж.Любина; пер. с англ. А.Б.Геллера и др., М., Машиностроение, 1988).
Согласно ГОСТ 11262-80, ГОСТ 25.601-80 образцы изготавливаются из конструкционного материала в виде полосы прямоугольного сечения или в виде лопатки с закрепленными на концах усиливающими накладками без отверстий.
Согласно стандартам ASTM D 63 8 и AMS образцы изготавливаются в виде пластин с утонением сечения в зоне разрыва, а также с гладкой поверхностью, на которой закреплены специальные усиливающие накладки, имеющие крепежные отверстия.
Недостатками стандартных образцов являются:
1) Обработка образцов механическим образом по причине перерезания части волокон режущим инструментом в зоне предполагаемого разрушения приводит к погрешности в определении прочности образца.
2) Высокая точность изготовления плавных переходов у образцов из плоских пластин вблизи зоны разрыва может увеличить стоимость затрат, так как потребует использования специальных станков и инструментов.
3) Так как изготовление стандартных образцов ведется из плоских пластин толщиной от 1 до 4 мм, а на реальных лопастях могут встречаться участки с толщиной полимерных композиционных материалов от 0,5 мм до 20 мм, то может возникнуть необходимость в применении в расчетах необходимых поправочных коэффициентов, полученных экспериментальным образом, что приведет в целом к удлинению цикла прочностного расчета.
4) Кроме того, стандартные образцы изготавливаются, из материалов одного типа, то в образцы реальной конструкции могут входить материалы нескольких типов (металлы, полимеры, древесина, пенопласты и др.), соединенных между собой разными способами (клеевыми, прессовыми, резьбовыми), что в целом усложняет расчет предельных нагрузок разрушения.
Прототипом разработанных образцов из отсеков лопасти аэродинамической модели воздушного винта послужила конструкция, описанная в стандарте ASTM D 63 8 и AMS, включающая в себя прямоугольный образец из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с усиливающими накладками на концах из восьмислойного текстолита. Накладки из текстолита имеют ориентацию волокон основы относительно оси симметрии образца 45 и 135° и приклеены к исследуемому образцу на клее типа «Метлбонд-329». Для фиксации образца в зажимах разрывной машины имеются два отверстия. Изготавливаются несколько образцов из конструкционных материалов, входящих в конструкцию лопасти, отдельно из каждого материала.
Недостатками конструкции прототипа являются:
- необходимость механического изготовления образцов из технологических припусков лопасти или с помощью технологической оснастки, отличной от оснастки, применяющейся при изготовлении лопасти, что приводит к перерезанию части волокон и в конечном итоге вносит погрешность при расчете разрушающей нагрузки;
- невозможность точного определения характера разрушения сложной конструкции по образцу простой формы, так как в реальной конструкции прямоугольные участки практически отсутствуют;
- невозможность точного определения нагрузки разрушения по образцу из одного конструкционного материала, в то время как в реальной конструкции одновременно используются несколько разнородных материалов различных толщин и сечений.
Задачей изобретения является разработка образца лопасти модели воздушного винта для определения действительной нагрузки разрушения и наглядного представления характера разрушений в реальных участках конструкций лопастей, состоящих из разнородных материалов.
Технический результат заключается в возможности точного определения реальной нагрузки и наглядном представлении характера разрушения в образцах, а также в сокращении цикла прочностного расчета и уменьшении затрат на прочностные испытания лопасти модели воздушного винта.
Технический результат достигается тем, что образец из полимерных композиционных материалов (ПКМ) для прочностных испытаний лопасти модели воздушного винта содержит испытуемый элемент, элементы усиления и детали крепления, причем испытуемый элемент представляет собой отсек лопасти, усиленный на концах материалом, аналогичным материалу лопасти путем контактного вакуумного формования
Технический результат достигается также тем, что образец содержит элемент усиления только на одном конце испытуемого элемента.
Фиг.1 Общий вид образцов для определения нагрузки разрушения в различных отсеках лопасти.
Фиг.2 Образцы, подготовленные к испытаниям.
Фиг.3 Контактное формование элемента усиления на конце отсека.
Фиг.4 Образец регулярной части модели лопасти перед испытанием.
Фиг.5 Образец регулярной части модели лопасти после испытания.
Фиг.6 Образец комлевой части модели лопасти после испытания.
Процесс изготовления лопасти 1 аэродинамической модели воздушного винта (фиг.1), которую при испытаниях устанавливают на винтовой прибор 2 в аэродинамической трубе, в обязательном порядке сопровождается расчетами на прочность, согласно которым в конструкции лопасти должен быть реализован четырехкратный запас прочности. Для подтверждения расчетов на прочность из каждого комплекта лопастей одну или две лопасти подвергают разрезке в поперечном направлении на небольшие отсеки - испытуемые элементы 3, из которых изготавливают специальные образцы (фиг.1). В последствии каждый образец устанавливают на разрывную машину и соответствующим образом разрушают.
Так как образцы, изготовленные из реальных отсеков пера лопасти в зоне предполагаемого разрушения, не имеют явно выраженных мест с утонениями сечения, которые характерны для плоских или круглых образцов, то для обеспечения разрушения нужного места концы испытуемых элементов усиливают дополнительными элементами усиления 4 (фиг.2) с помощью клея или болтов. Элементы усиления 4 могут быть закреплены на одном конце испытуемого образца или на двух концах. Элементы усиления изготавливаются таким образом, чтобы не позволить разрушиться образцу непосредственно под элементом усиления, а передать усилие разрушения на открытый участок - испытуемый элемент. Изготовление элементов усиления производят из материалов аналогичных материалам, используемым в конструкции лопастей, что удешевляет процесс изготовления образцов. Таким образом, при усилении концов отсека разрушение происходит в районе запланированного открытого участка.
Для монтажа образцов на захватах разрывной машины к усиливающим элементам добавляют технологические крепежные звенья 5, которые закрепляют с помощью винтов или болтов.
В качестве основного технологического процесса изготовления элементов усиления 4 используют контактное вакуумное формование (фиг.3).
Испытание подобных отсеков позволяет определить реальные нагрузки, а также характер и последовательность реальных разрушений. Элементы усиления позволяют испытывать подготовленные вышеуказанным способом образцы в различных типах испытаний: растяжение, изгиб, кручение.
Данные образцы испытытаны при определении прочности комлевого и регулярного отсеков лопасти аэродинамической модели несущего винта вертолета.
На фиг.4 показан образец, вырезанный из регулярной части модели лопасти, подготовленный для испытаний на определение нагрузки и характера разрушения. На фиг.5 показано разрушение регулярной части модели лопасти. Характер разрушения (участок А): разрыв обшивок в зоне хвостовой секции профиля лопасти. На фиг.6 показано разрушение комлевой части модели лопасти. Характер разрушения: смятие отверстий (участок В) и деформация обшивок (участок С).
Таким образом, используя всего один образец можно определить нагрузку разрушения в реальной конструкции; скорость разрушения реальной конструкции; последовательность разрушения элементов реальной конструкции. В то время как при использовании стандартных образцов потребовалось бы провести 12 испытаний на 12 образцах.
Благодаря предложенному устройству снижается, как время проведения испытаний, так и трудоемкость изготовления ~ в 2,5 раза. И, следовательно, уменьшаются затраты на прочностные испытания лопасти модели воздушного винта.