УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НЕЗАМКНУТЫХ ОБОЛОЧЕК НА ПРОЧНОСТЬ

Полезная модель относится к испытательной технике и может быть использовано для статических испытаний незамкнутых оболочек различной формы на прочность, преимущественно многослойных из различных материалов, в том числе и из композитов сложной структуры и в, частности, акустических панелей с сотовым заполнителем.
Известны устройства для статических испытаний на прочность незамкнутых конических оболочек внутренним давлением (Руководство. Прочность конструкций, т. 5, ГОНТИ 31, 1974, описание к авторскому свидетельству СССР №1182326, МПК G01N 3/12 «Способ испытаний полых крупногабаритных изделий на прочность и герметичность», опубл. 30.09.1985, описание к авторскому свидетельству СССР №1840371, МПК GO1N 3/10 «Способ испытания незамкнутых конических оболочек из композиционных материалов внутренним давлением, образец и устройство для его осуществления», опубл. 10.10.2006).
Известно устройство для испытаний механической прочности цилиндрических оболочек, нагруженных внешним давлением включает обечайку с днищами и нагрузочное приспособление в виде камеры, из эластичного материала, имеющей торовое сечение, размещенной в пространстве между обечайкой, днищами и испытуемой оболочкой и наполняемой газом через штуцер (описание к авторскому свидетельству СССР №324538 МКИ G01M 19/00, БИ №2, опубл. 01.01.1972).
В известных устройствах средство передачи давления на испытываемую оболочку выполнено в виде камеры из эластичного материала, соединенной с источником давления (воздух, вода), при этом необходима организация ограждения этой камеры, препятствующего ее выпучиванию за пределы испытываемой оболочки, что приводит к появлению дополнительных сил на торцах (краевой эффект), влияющих на результат испытаний.
Работа известных устройств основана на герметизации оболочки заглушками, использовании жестких фланцевых креплений открытых торцов, герметизация которых осуществляется различными по форме и конструкции крышками с прокладками или манжетами.
В данном случае имеют место краевые эффекты, поскольку требуется использование напорной камеры из эластичного материала, надуваемой от внешнего источника гидростатического давления или организации герметичной камеры одной из сторон которой является испытываемая оболочка, путем использования крышек, фланцев, различных уплотняющих манжетов и прокладок.
Недостатками перечисленных способов и устройств является то, что
они:
- требуют подачи жидкости или газа под давлением внутрь испытываемой конструкции путем создания напорной камеры с помощью различных по конструкции заглушек, жестких фланцевых креплений с различными манжетами и уплотняющими элементами, эластичных камер и т.д.
- требуют жесткое крепление торцов оболочки, приводящих к возникновению краевые эффектов, которые вносят значительную погрешность в результаты испытаний;
- не пригодны для испытаний оболочек из композиционных материалов из-за их низкой сдвиговой прочности и невозможности использования фланцевого крепления крышек и недопустимости сверлений в этих материалах для болтовых и других типов соединений;
- не обеспечивают герметизацию стенок оболочек при испытаниях пористых композиционных материалов;
- в случае использования эластичной напорной камеры, в которую подается рабочая жидкость, не обеспечивается выполнение краевых условий из-за необходимости использования дополнительных ограждающих конструкций, препятствующих ее выпучиванию по торцам испытываемой оболочки.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для статических испытаний незамкнутых оболочек на прочность, содержащее опору для установки оболочки, пуансон и средство передачи нагрузки на поверхность оболочки (описание к авторскому свидетельству СССР №1237945, МПК G01N 3/08, опубл. 15.06.1986).
Средство создания нагрузки на стержни выполнено в виде пуансона, а средство передачи нагрузки на поверхность оболочки выполнено в виде обоймы с размещенными в ней стержнями, взаимодействующими с эластичной прокладкой.
Недостатком устройства является использование обоймы с размещенными в ней стержнями, что приводит к силовому воздействию между торцами оболочки и обоймой (краевой эффект). Эластичная прокладка в известном устройстве используется не для выравнивания давления на испытываемой оболочке, а для предотвращения усилий, перпендикулярных направлению перемещения стержней, т.е. выполняет совершенно иные функции.
Техническим результатом предлагаемого устройства является выравнивание контактного давления по всей площади испытываемой оболочки без воздействия на ее торцы, что исключает появление краевых эффектов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для статических испытаний незамкнутых оболочек на прочность, содержащее опору для установки испытываемой оболочки, пуансон и средство передачи нагрузки на поверхность оболочки, в отличие от известного, форма рабочей поверхности пуансона совпадает с формой испытываемой оболочки, а средство передачи нагрузки на поверхность оболочки выполнено в виде пластины из эластичного материала, устанавливаемой на оболочку, при этом толщина пластины h, выбирается из условия обеспечения равномерного распределения контактного давления между пластиной и оболочкой.
Для оболочки в форме прямоугольной панели толщину h пластины определяют из условия:
а
где  - длина испытываемой оболочки;
b - ширина испытываемой оболочки;
1
D - цилиндрическая жесткость испытываемой оболочки;
2
D - цилиндрическая жесткость пуансона;
R
E - модуль упругости пластины из эластичного материала.
Для оболочки арочного типа толщину h пластины определяют из условия:
где α - секторальный угол;
R - радиус кривизны испытываемой оболочки;
R
E- модуль упругости пластины из эластичного материала;
1
E - модуль упругости испытываемой оболочки;
2
E-модуль упругости пуансона;
1
J - момент инерции испытываемой оболочки;
2
J - момент инерции пуансона.
Для оболочки пространственной формы толщину h пластины определяют из условия:
1
2
где α, α - секторальные углы пространственной оболочки;
1
2
1
2
R, R - радиус кривизны пространственной оболочки, соответствующие секторальным углам α, α;
R
E - модуль упругости пластины из эластичного материала;
1
D - цилиндрическая жесткость испытываемой оболочки;
2
D - цилиндрическая жесткость пуансона.
В предлагаемом устройстве для статических испытаний незамкнутых оболочек равномерность контактного давления на поверхности испытываемой оболочки обеспечивается пластиной из эластичного материала, обладающего малой сдвиговой жесткостью, устанавливаемой между пуансоном и поверхностью испытываемой оболочки, при этом пластина не вызывает дополнительных сил на торцах испытываемой оболочки.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг. 1 - схема устройства в процессе испытаний на прочность;
фиг. 2 - оболочка в форме прямоугольной панели;
фиг. 3 - оболочка арочного типа;
фиг. 4 - оболочка пространственной формы;
фиг. 5 - изготовленное устройство для статических испытаний.
Устройство (фиг. 1) содержит источник давления 1, например, в виде гидроцилиндра, опоры 2, позволяющие закрепить испываемую незамкнутую оболочку 3 аналогично ее креплению на объекте с закрепленными датчиками деформаций 4. Опоры могут быть выполнены регулируемыми. Форма оболочки может быть, например, прямоугольная, арочного типа или пространственной формы, например, характеризуемой двумя радиусами и двумя секторальными углами.
Устройство содержит пуансон 5, рабочая поверхность которого совпадает с формой испытываемой оболочки 3. Между пуансоном 5 и испытываемой оболочкой, устанавливается средство передачи нагрузки - воздействия на поверхность испытываемой оболочки, которое выполнено в виде пластины 6 из эластичного материала на основе каучука, например, резины.
Толщина h пластины 6 определяется в зависимости от формы испытываемой оболочки из условия обеспечения равномерного распределения контактного давления между пластиной и испытываемой оболочкой.
Для оболочки в форме прямоугольной панели толщину h пластины определяют из условия:
где а - длина испытываемой оболочки;
b - ширина испытываемой оболочки;
1
D - цилиндрическая жесткость испытываемой оболочки;
2
D - цилиндрическая жесткость пуансона;
R
E - модуль упругости пластины из эластичного материала.
Для оболочки арочного типа толщину h пластины определяют из условия:
где α - секторальный угол;
R - радиус кривизны испытываемой оболочки;
R
E-модуль упругости пластины из эластичного материала;
1
Е - модуль упругости испытываемой оболочки;
2
Е - модуль упругости пуансона;
1
J - момент инерции испытываемой оболочки;
2
J - момент инерции пуансона.
Для оболочки пространственной формы толщину h пластины определяют из условия:
1
2
где α, α - секторальные углы пространственной оболочки;
1
2
1
2
R, R- радиус кривизны пространственной оболочки, соответствующие секторальным углам α, α;
R
E-модуль упругости пластины из эластичного материала;
1
D - цилиндрическая жесткость испытываемой оболочки;
2
D - цилиндрическая жесткость пуансона.
Устройство работает следующим образом.
На опоры 2 устанавливают испытываемую незамкнутую оболочку 3, размещают на ней пластину, например, из резины, заданной толщины.
На пуансон 5, с помощью механизма передачи нагрузки 1, воздействуют с усилием F=qS, равным произведению интенсивности равномерно распределенной нагрузки q на площадь поверхности испытываемой оболочки S. При этом нагрузка передается на испытываемую оболочку посредством пластины 6 из эластичного материала.
Пластина, обладая малой сдвиговой жесткостью (податливостью в плоскости сдвига), обеспечивает выравнивание контактного давления между пуансоном и оболочкой. Тем самым, сосредоточенная сила, приложенная к пуансону, преобразуется в распределенную нагрузку постоянной интенсивности, приложенную к испытываемой оболочке без воздействия на ее торцы.
Производят нагружение оболочки в течение одной минуты (Авиационные правила. Часть 33. параграф 33.64) с последующим контролем деформации в зоне установленных датчиков 4 и далее производят ступенчатое нагружение до разрушения оболочки, контролируемое визуально. По мере ступенчатого нагружения оболочки до ее разрушения снимают текущие показания нагружающей силы и деформаций.
Деформация испытываемой оболочки в результате под действием приложенной нагрузки позволяет судить о статической прочности испытываемой оболочки.
Устройство было изготовлено и использовано для статических испытаний панелей звукопоглощающих конструкций с сотовым заполнителем (трехслойная оболочка) для двигателя SaM 146. Форма испытываемой оболочки - арочного типа. Толщина h пластины составляла 37,8 мм.
Использование данного устройства на 25% повышает точность в экспериментальной оценке напряжений незамкнутой оболочки за счет исключения влияния краевых эффектов, сокращает время и трудоемкость испытаний и может использоваться на ранних стадиях проектирования.
Предложенное устройство может быть использовано для статических испытаний незамкнутых многослойных оболочечных конструкций с различными заполнителями (сотовым, ячеистым, трубчатым, пеноалюминиевым, пенотитана) в том числе и с обшивками, выполненными из полимерных композиционных материалов.
Большая точность в оценке статической прочности испытываемой оболочки достигается тем, что в предложенном устройстве на торцы испытываемой оболочки не действуют силовые факторы вызывающие дополнительные напряжения.