УСТРОЙСТВО ТЕСТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ФЮЗЕЛЯЖА С ПРОДОЛЬНОЙ И ОКРУЖНОЙ КРИВИЗНОЙ
TESTING DEVICE OF FUSELAGE CONSTRUCTION WITH LONGITUDINAL AND CIRCUMFERENTIAL CURVATURE

Настоящее изобретение касается устройства тестирования конструкции фюзеляжа с двойной кривизной.
В частности, настоящим изобретением предлагается устройство тестирования, позволяющее тестировать по статичности, усталости и по стойкости к повреждениям конструкцию фюзеляжа с двойной кривизной, то есть с продольной и окружной кривизной.
На практике эти конструкции фюзеляжа является венцами фюзеляжа, обычно применяемыми для выполнения задней или передней частей фюзеляжа самолета.
Известно применение такого устройства тестирования для приложения к конструкции фюзеляжа при помощи системы приложения усилий, воспроизводящих усилия, действующие на конструкцию фюзеляжа во время ее эксплуатации. Эти усилия обычно являются силами растяжения или сжатия, действующими в продольном направлении конструкции, силами кручения по окружности конструкции и силами давления, связанными с разностью давления между внутренним объемом самолета и наружным пространством.
Так, известно устройство тестирования, позволяющее прикладывать силы давления и осевую механическую нагрузку на конструкцию с одной кривизной типа цилиндрического кольца, описанное в документе “Development of a test texture for fuselage curved panels”, M.Langon and C.Meyer, CEAT, ICAF 1999, стр.745-753.
Однако такое устройство невозможно применить для конструкции фюзеляжа с двойной кривизной таким образом, чтобы оно отражало реальные усилия, действующие на конструкцию фюзеляжа самолета.
Задачей настоящего изобретения является решение вышеуказанных проблем и создание устройства тестирования конструкции фюзеляжа с двойной кривизной.
Для этого устройство тестирования, применяемое для конструкции фюзеляжа с продольной и окружной кривизной, содержит набор средств приложения сил к конструкции фюзеляжа.
Согласно изобретению оно содержит центральный вал, расположенный в продольном направлении и в центре конструкции фюзеляжа, при этом набор средств приложения сил установлен между конструкцией фюзеляжа и опорными средствами, неподвижно соединенными с центральным валом.
Так, устройство тестирования в соответствии с настоящим изобретением содержит центральный вал, позволяющий получить жесткую конструкцию в центре конструкции фюзеляжа и воспринимать усилия, прикладываемые к конструкции фюзеляжа.
Благодаря восприятию усилий в центре конструкции фюзеляжа пространство, внешнее относительно конструкции, остается свободным и позволяет постоянно производить осмотр конструкции фюзеляжа, подвергающейся напряжениям.
Согласно варианту выполнения настоящего изобретения устройство тестирования содержит средства неподвижного соединения, выполненные с возможностью неподвижного соединения центрального вала с верхним концом конструкции фюзеляжа, при этом средства приложения сил выполнены с возможностью приложения сил к нижнему концу конструкции фюзеляжа.
Эта конструкция позволяет подвергать всю конструкцию фюзеляжа напряжениям кручения или растяжения/сжатия. Центральный вал позволяет воспринимать усилия, прикладываемые к конструкции фюзеляжа между нижним и верхним концами.
Согласно варианту выполнения настоящего изобретения опорные средства содержат базовую плиту, выполненную с возможностью установки на ней средств приложения сил первого типа, и основание, закрепленное на центральном валу и выполненное с возможностью установки на нем средств приложения сил второго типа.
Таким образом, можно разделить приложение двух типов сил таким образом, чтобы прикладываемые силы можно было изменять во время испытания независимо друг от друга, и анализ результатов на конструкции можно произвести независимо для разных типов приложенных сил.
На практике средства приложения сил первого типа выполнены с возможностью приложения силы кручения к конструкции фюзеляжа, а средства приложения сил второго типа выполнены с возможностью приложения силы растяжения или сжатия к конструкции фюзеляжа.
Предпочтительно средства приложения сил первого типа выполнены с возможностью приложения силы по касательной к криволинейной поверхности конструкции фюзеляжа.
Прикладываемые таким образом силы могут оставаться коллинеарными с поверхностью и сопровождать деформацию этой поверхности.
На практике средства приложения сил первого типа содержат, по меньшей мере, один силовой цилиндр, выполненный с возможностью приложения усилия вдоль горизонтальной оси и установленный с возможностью поворота на своих концах вокруг вертикальной оси.
Благодаря такой установке с возможностью поворота концов силового цилиндра усилие кручения, прикладываемое к поверхности конструкции фюзеляжа, может постоянно сохранять направление по касательной к этой поверхности, даже после ее перемещения и деформации. На практике для равномерного приложения сил к конструкции фюзеляжа средства приложения сил неподвижно соединяют в точке приложения упомянутой силы с кольцом передачи нагрузки, при этом нижний конец конструкции фюзеляжа крепят на этом кольце передачи нагрузки.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из нижеследующего описания, приводимого со ссылками на чертежи, которые носят чисто иллюстративный и не ограничивающий характер.
Фиг.1 - вид в перспективе конструкции фюзеляжа с двойной кривизной.
Фиг.2 - схематический вид в перспективе устройства тестирования согласно варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг.3 - вид в продольном сечении устройства, показанного на фиг.2.
Фиг.4 - вид в перспективе опоры центрального вала устройства, показанного на фиг.2.
Фиг.5а и 5б - соответственно вид в перспективе и вид сверху кольца передачи нагрузки устройства тестирования, показанного на фиг.2.
Фиг.6а и 6б - соответственно вид в перспективе и вид в разрезе основания устройства тестирования, показанного на фиг.2.
Фиг.7 - вид в перспективе сердечника центрального вала устройства, показанного на фиг.2.
Фиг.8 - вид в перспективе соединительной крышки устройства, показанного на фиг.2.
Фиг.9а и 9б - соответственно вид в перспективе и в разрезе наружного крепежного кольца устройства, показанного на фиг.2.
Фиг.10а и 10б - соответственно вид в перспективе и в разрезе внутреннего крепежного кольца, выполненного с возможностью взаимодействия с наружным крепежным кольцом, показанным на фиг.9а и 9б.
Фиг.11 - вид сверху без сердечника центрального вала и конструкции фюзеляжа, иллюстрирующий монтаж средств приложения сил.
Фиг.12 - вид в частичном продольном разрезе устройства тестирования, показанного на фиг.2, иллюстрирующий монтаж средств приложения сил.
Далее со ссылками на чертежи следует описание примера выполнения устройства тестирования конструкции фюзеляжа.
Описанное ниже устройство тестирования позволяет тестировать конструкцию 10 с двойной кривизной, показанную на фиг.1.
Речь идет, например, о венце фюзеляжа, одновременно имеющем, как показано на фиг.1, продольную кривизну и окружную кривизну.
Устройство тестирования позволяет тестировать такую конструкцию в статике, по усталости и стойкости к повреждениям.
Как правило, оно позволяет прикладывать усилия, воспроизводящие усилия, действию которых подвергается конструкция самолета, и, в частности, силы растяжения или сжатия в продольном направлении, силы кручения по отношению к продольной оси или силы давления, возникающие в результате разности давления между внутренним объемом конструкции и наружным пространством.
Разумеется, необходимо иметь возможность комбинировать все эти типы сил, прикладываемых к конструкции.
На фиг.2 и 3 показан общий вид устройства тестирования согласно варианту выполнения изобретения.
В настоящее время поведение конструкции фюзеляжа с двойной кривизной в достаточной мере изучено при помощи испытаний и цифрового моделирования на конструкциях с одной кривизной.
Таким образом, необходимо иметь тестовые данные для подтверждения и выверки цифровых моделей, используемых для конфигураций с двойной кривизной, чтобы изучить их поведение.
Описываемое устройство тестирования позволяет также оценить и исследовать поведение новых материалов (металлических и композитных), а также изучить возможности новых технологий.
В основном устройство тестирования содержит центральный вал 20, расположенный в продольном направлении и в центре конструкции 10 фюзеляжа.
Центральный вал 20 содержит цоколь 21, предназначенный для крепления на полу, и вертикальный брус 25.
Цоколь 21 показан, в частности, на фиг.4. Он содержит участок, образующий ножку 22, предназначенную для крепления при помощи ряда винтов 22а, как показано на фиг.3, на базовой плите 70, которая будет описана ниже.
Цоколь 21 имеет общую внешнюю цилиндрическую форму и содержит венец 21а, образующий заплечик 21b с цилиндрическим стволом 24 цоколя 21. Монтаж средств приложения сил на заплечике 21b будет описан ниже.
Центральная цилиндрическая полость 21 с позволяет облегчить цоколь 21.
На концевой стороне 23 в виде диска, противоположной ножке 22 цоколя 21, выполнены средства неподвижного соединения цоколя 21 с вертикальным брусом 25. В этом варианте выполнения цоколь содержит паз 23b, выполненный по диаметру концевой стороны 23 в виде диска. Этот паз 23b выполнен с возможностью взаимодействия с комплементарной нервюрой (не показана), выполненной на концевой стороне 25а вертикального бруса 25, показанной на фиг.7.
Разумеется, между цоколем 21 и брусом 25 можно предусмотреть зеркально выполненные средства неподвижного соединения или другие типы средств соединения, обеспечивающие конструкции центрального вала 20 жесткость, позволяющую выдерживать усилия, прикладываемые к конструкции 10 фюзеляжа.
Например, вертикальный брус имеет диаметр 1 м и высоту примерно 4 м. Разумеется, высоту вертикального бруса можно менять в зависимости от длины тестируемой конструкции 10 фюзеляжа.
Цоколь 21 и вертикальный брус 25 представляют собой, например, литые и механически обработанные стальные конструкции, которые могут выдерживать и воспринимать усилия, прикладываемые к конструкции фюзеляжа.
На своем конце 27 вертикальный брус 26 содержит средства 30, 40 неподвижного соединения, выполненные с возможностью неподвижного соединения центрального вала 20 с верхним концом 10а конструкции 10 фюзеляжа.
Как показано на фиг.8, средства неподвижного соединения содержат крышку 30, неподвижно соединенную с верхним концом центрального вала 20.
Крепления этой крышки 30 на центральном валу 20 должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять силам кручения и растяжения или сжатия, действующим на конструкцию 10, и обеспечивать, таким образом, восприятие центральным валом 20 усилий, прикладываемых к конструкции.
Для этого, в соответствии с данным вариантом выполнения, верхний конец 27 вертикального бруса 25 центрального вала 20 содержит ряд шлицов 28, выполненных параллельно оси центрального вала 20 и заходящих в ряд комплементарных шлицов 31, выполненных на внутренней стороне 30а крышки 30.
На практике эта крышка 30 содержит цилиндрический ствол 32 с внутренним отверстием 33 в основном цилиндрической формы, внутренняя поверхность 30а которого содержит комплементарные шлицы 31.
Эти шлицы предпочтительно выполнены с возможностью восприятия усилий кручения крышки 30, действующих на конец 27 вертикального бруса 25.
Для неподвижного соединения при растяжении/сжатии центрального вала 20 с крышкой 30 между дном крышки 30 и торцом 27а конца 27 вертикального бруса 25 предусмотрен ряд крепежных винтов.
Снаружи крышка 30 содержит также ряд ребер 35, выполненных между цилиндрическим стволом 32 крышки 30 и фланцем 36. Эти ребра 35 позволяют усилить конструкцию крышки 30.
Учитывая действующие силы и многочисленные средства крепления, предназначенные для неподвижного соединения крышки 30 с вертикальным брусом 25, центральный вал необходимо выполнять сплошным.
На нижней стороне фланца 36 крышки 30 предусмотрены крепежные средства 40 для крепления верхнего конца 10а конструкции 10 фюзеляжа.
Как показано на фиг.9а, 9б, 10a, 10б, эти крепежные средства 40 выполнены в виде наружного кольца 41 и внутреннего кольца 42, удерживающие за счет стягивания верхний конец 10а конструкции 10 фюзеляжа (см., в частности, фиг.3).
В частности, эти крепежные кольца 41, 42 в основном имеют цилиндрическую форму. Наружное крепежное кольцо 41 содержит фланец 43, предназначенный для вхождения в контакт с фланцем 36 крышки с целью крепления на нем при помощи ряда крепежных винтов. Этот фланец 43 продолжен усеченным конусным участком 44, соответствующим форме наружной поверхности верхнего конца 10а конструкции 10 фюзеляжа.
Точно так же внутреннее крепежное кольцо 42 содержит фланец 45, предназначенный для крепления, например, при помощи крепежных винтовых средств на фланце 36 крышки 30. Этот фланец 45 продолжен усеченным конусным участком 46, соответствующим форме внутренней стороны верхнего конца 10а конструкции 10 фюзеляжа.
Таким образом, когда крепежные кольца 41, 42 крепят к крышке 30, внутреннее крепежное кольцо 42 находится внутри усеченного конусного участка 44 наружного крепежного кольца 41, при этом усеченные конусные участки 44, 46 колец сжимают верхний конец 10а конструкции фюзеляжа.
На нижнем конце 10б конструкции фюзеляжа осуществляют идентичный монтаж при помощи крепежных средств, неподвижно соединенных с кольцом 50 передачи нагрузки.
Как и в случае верхних крепежных средств 40, нижний конец 10b конструкции 10 фюзеляжа выполнен с возможностью удержания сжатием между двумя комплементарными кольцами 41, 42, ограничивающими между цилиндрическими венцами пространство удержания конца 10b конструкции 10 фюзеляжа.
Далее, в частности, со ссылками на фиг.11 и 12 следует описание набора средств 60, 80 приложения сил. Эти средства 60, 80 приложения сил установлены на опорных средствах, неподвижно соединенных с центральным валом 20.
Как было указано выше, эти опорные средства содержат базовую плиту 70, показанную на фиг.2, имеющую в данном варианте выполнения треугольную форму.
Эта базовая плита 70 выполнена с возможностью установки на ней средств 60 приложения сил первого типа, в данном случае средств приложения сил, выполненных с возможностью приложения силы кручения к конструкции 10 фюзеляжа.
Кроме того, опорные средства содержат основание 90, закрепленное на центральном валу 20 и в данном варианте выполнения - на цоколе 21. Основание 90 выполнено с возможностью установки на нем средств 80 приложения сил второго типа, в данном случае средств 80 приложения силы, выполненных с возможностью приложения силы растяжения или сжатия к конструкции 10 фюзеляжа.
На практике в этом варианте выполнения предусмотрены три силовых цилиндра 61, выполненных с возможностью приложения силы кручения. Эти силовые цилиндры установлены на опорных элементах 62, расположенных на угловом расстоянии 120° друг от друга и закрепленных, таким образом, в вершинах треугольной базовой плиты 70. Эти силовые цилиндры являются, например, гидравлическими силовыми цилиндрами, выполненными с возможностью действия силой вдоль штока их поршня.
Для обеспечения прочного крепления силовых цилиндров 61 на базовой плите 70 опорные элементы 62 содержат две стойки, наклоненные под углом от 45 до 80° относительно базовой плиты 70. Стойки 62а образуют между собой угол, находящийся в пределах от 60 до 80°.
Соответственно кольцо 50 передачи нагрузки, на котором крепят конструкцию 10 фюзеляжа, содержит, как показано на фиг.5а и 5б, три крепежных башмака, тоже расположенных на угловом расстоянии 120°.
Кольцо 50 передачи нагрузки имеет плоскую и в основном треугольную форму, при этом башмаки 58 выполнены в вершинах треугольной формы. Кроме того, оно содержит в центре круглое отверстие 59, предназначенное для прохождения центрального вала 20 и, в частности, предназначенное для прохождения цилиндрического ствола 24 цоколя 21.
Каждый гидравлический силовой цилиндр 61 установлен горизонтально между опорным элементом 62 и крепежным башмаком 58. Конец штока каждого силового цилиндра 61 неподвижно соединен, например, при помощи винтовых средств и вилки с крепежным башмаком 58.
Аналогичный монтаж другого конца каждого силового цилиндра 61 позволяет неподвижно соединить этот силовой цилиндр с опорным элементом 62. Благодаря такому монтажу при помощи вилок концы силового цилиндра установлены с возможностью поворота соответственно вокруг двух вертикальных осей на уровне их установки на опорном элементе 62 и крепежном башмаке 58.
Таким образом, перемещение вращением кольца 50 передачи нагрузки под действием усилия, создаваемого каждым гидравлическим силовым цилиндром 61, сопровождается поворотной реакцией силового цилиндра 61 таким образом, что он сохраняет направление действия по касательной к поверхности конструкции фюзеляжа.
Сила, создаваемая каждым гидравлическим силовым цилиндром, в данном случае действует в горизонтальной плоскости, совпадающей с плоскостью, в которой находится кольцо 50 передачи нагрузки. Таким образом, прикладываемая сила является тангенциальной к поверхности конструкции фюзеляжа и соответствует силе кручения, прикладываемой в трех равноудаленных точках кольца передачи нагрузки. Таким образом, она равномерно прикладывается к кольцу 50 передачи нагрузки.
Параллельно с этими средствами, позволяющими создавать силу кручения, действующую на конструкцию фюзеляжа, предусмотрены также шесть гидравлических силовых цилиндров 81, установленных вертикально между кольцом 50 передачи нагрузки и основанием 90.
Как показано на фиг.6а и 6б, основание 90 в основном имеет форму круглого кольца, содержащего в центре круглое отверстие 91, выполненное с возможностью прохождения через него центрального вала 20 и, в частности, цилиндрического ствола 24 цоколя 21.
Это основание 90 содержит цилиндрическую полку 92 и кольцевой фланец 93.
Как показано на фиг.3, основание 90 опирается на уровне своего кольцевого фланца 93 на заплечик 21b цоколя 21, при этом цилиндрическая полка 92 ограничивает вместе с венцом 21а и ножкой 22 цоколя 21 гнездо, в котором устанавливают опорные подшипники для монтажа основания 90 на цоколе 21.
На кольцевом фланце 93 основания 90 устанавливают шесть гидравлических силовых цилиндров 81 с вертикальной осью, равномерно распределенных вокруг вертикальной оси центрального вала 20.
Таким образом, гидравлические силовые цилиндры 81 расположены на угловом расстоянии 60° относительно друг друга на круглом основании 90.
Как показано на фиг.12, конец штока гидравлических силовых цилиндров 81 закреплен на кольце 50 передачи нагрузки, на котором устанавливают конструкцию 10 фюзеляжа.
Вертикальные силовые цилиндры 81 установлены между основанием 90 и кольцом 50 передачи нагрузки таким образом, чтобы вертикальная сила растяжения или сжатия действовала через кольцо 50 передачи нагрузки на конструкцию 10 фюзеляжа, закрепленную своим нижним концом 10b на кольце 50 передачи нагрузки. Таким образом, прикладываемая сила равномерно распределяется на нижнем конце 10b конструкции 10.
Благодаря такому монтажу гидравлических силовых цилиндров 61 на треугольной опорной плите 70, с одной стороны, и вертикальных силовых цилиндров 81 на основании 90, с другой стороны, можно прикладывать силы растяжения/сжатия и силы кручения независимо друг от друга.
Кроме того, чтобы можно было воссоздавать и тестировать разность давления между внутренним объемом и наружным пространством конструкции 10 фюзеляжа, между центральным валом 20 и конструкцией 10 фюзеляжа предусмотрены средства 100 создания давления.
В этом варианте выполнения средства 100 создания давления выполнены в виде усеченной конусной конструкции 100, расположенной между вертикальным брусом 25 и конструкцией 10 фюзеляжа, при этом в пространстве между этой усеченной конусной конструкцией 100 и конструкцией 10 фюзеляжа можно создавать давление путем нагнетания воздуха под давлением или при помощи накачиваемого баллона, заполняемого водой.
Для этого предусмотрены входы 101 для текучей среды под давлением, предпочтительно в нижней части усеченной конусной конструкции 100.
Таким образом, усеченная конусная конструкция 100 образует кессон, позволяющий сужать пространство между центральным валом 20 и конструкцией фюзеляжа.
Благодаря наличию разных средств приложения сил на конструкцию можно воздействовать всеми механическими усилиями, воспроизводящими реальное поведение конструкции фюзеляжа.
В частности, можно прикладывать следующие максимальные усилия:
Статичный тест
Тест на усталость
1: Давление+растяжение
F<sub>max</sub>=17000 кНΔP<sub>max</sub>=3,7 бар
F<sub>max</sub>=10000 кНΔP<sub>max</sub>=1,9 бар
2: Давление+сжатие
3: Давление+кручение
М<sub>max</sub>=7300 кНΔP<sub>max</sub>=3,7 бар
М<sub>max</sub>=4300 кНΔP<sub>max</sub>=1,9 бар
4: Давление+кручение+сжатие
F<sub>max</sub>=17000 кНМ<sub>max</sub>=7300 кНΔP<sub>max</sub>=3,7 бар
F<sub>max</sub>=17000 кНМ<sub>max</sub>=4300 кНΔP<sub>max</sub>=1,9 бар
Кроме того, следует отметить, что за счет описанной выше конструкции устройства наружное пространство конструкции 10 фюзеляжа остается свободным, как показано на фиг.2, что позволяет производить осмотр конструкции фюзеляжа снаружи.
Если крепление конструкции фюзеляжа осуществляют путем стягивания конструкции, то можно легко произвести ее демонтаж и осуществлять также осмотр внутри конструкции после приложения усилий.
Благодаря модульной конструкции центрального вала, состоящей из цоколя и вертикального бруска, можно, в частности, меняя вертикальный брусок, применять изобретение для конструкций фюзеляжа разной высоты.
Кроме того, необходимо отметить, что демонтажа конструкции в ходе тестирования можно избежать, используя классические недеструктивные методы контроля и датчики, предварительно установленные в разных точках конструкции фюзеляжа.
Эта конструкция устройства тестирования позволяет производить статичные тесты, тесты на стойкость к повреждениям и на усталость конструкции с двойной кривизной. В частности, можно измерять и регистрировать напряжения, действующие на конструкцию 10, с помощью датчиков напряжения и наблюдать все сдвиги в конструкции фюзеляжа во всех направлениях пространства.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается описанными примерами выполнения.
В частности, количество гидравлических силовых цилиндров, используемых для приложения силы кручения, а также для приложения силы сжатия или растяжения, не является ограничительным. Кроме того, можно использовать другие средства приложения сил, отличные от гидравлических силовых цилиндров.
Кроме того, можно применять другие типы крепления конструкции фюзеляжа на ее концах, отличные от описанных выше средств.