СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ
STRENGTH TEST BENCH

Известна установка для испытаний на прочность элементов конструкций летательных аппаратов [SU 944422 A2, G01M 5/00, 15.01.1981 (07.11.1991)], у которой устройство нагружения на распределенные нагрузки представляет собой отдельные рабочие камеры, размещенные на поверхности объекта испытаний (ОИ), связанные газовой магистралью с источником давления и через рычажную систему с гидроцилиндром. Для плотного контакта поверхности ОИ с рабочими камерами последние по контуру имеют торцевые эластичные камеры, соединенные с источником разряжения. Недостатком известной установки является ее чрезвычайная сложность.
Известен стенд для испытаний на прочность головного обтекателя [RU 2293956 C2, G01M 5/00, 07.09.2004 (20.02.2007)], содержащий ограничительные обечайки, имеющие продольные и поперечные ребра, образующие ячейки, в которых размещены эластичные силовые мешки, связанные с системой создания давления. Для исключения повреждения эластичных силовых мешков зазоры между ОИ и ребрами ячеек обклеены мягким материалом, например войлоком. Недостатком известной конструкции является выдавливание мешка в соседнюю ячейку при увеличении зазора между ребром ячейки и ОИ при деформации последнего. Выдавливание мешка, как правило, приводит к его разрушению. Это обстоятельство ограничивает область применения при несимметричном нагружении малыми деформациями и малыми давлениями.
Целью изобретения является максимальное приближение условий испытаний конструкций ЛА к натурным за счет возможности воспроизведения неравномерных давлений на поверхность ОИ при значительных деформациях объекта испытаний и надежности за счет уменьшения вероятности и минимизации последствий повреждения мешков.
Это достигается тем, что эластичные кромки ребер ячеек имеют опорную часть и лепестковую часть, прижимаемую мешками к поверхности ОИ, препятствующие выдавливанию мешков в соседние ячейки при деформации ОИ. Высота опорной части и ширина лепестковой части кромки и ее толщина определяются расчетно-опытным путем. Для контроля величины деформации и предотвращения опирания ОИ на ребра часть из них в зонах максимальной деформации снабжена датчиками перемещения. Каждая ячейка имеет лючок в ограничительной обечайке, позволяющий перед закладкой в нее мешка расправить лепестковые части кромок, и помимо датчика, измеряющего давление в мешке, снабжена дополнительным датчиком, измеряющим давление газа непосредственно в ячейке. Система подачи переменного давления газа при разрушении мешка обеспечивает сброс давления в мешке ячейки с противоположной стороны ОИ со скоростью падения давления в ячейке с поврежденным мешком.
На чертеже представлена схема стенда. Объектом испытаний 1 является носовой отсек фюзеляжа с консолью крыла. Объект испытаний через имитатор 2 смежного отсека закреплен к силовому порталу 3 стенда. Вокруг объекта испытаний расположены две половинки раздвижной ограничительной обечайки 4, закрепленные на подвижных основаниях 5. Обечайка разделена продольными 6 и поперечными 7 ребрами на ячейки 8, в которых размещены надувные эластичные мешки 9. По краям ячеек установлены эластичные кромки 10. Эластичные кромки имеют опорную часть 11, прикрепленную к ребрам, и лепестковую 12, прижимаемую к ОИ надувными мешками. Размеры эластичной кромки, обеспечивающие требования предотвращения выдавливания мешков при перемещении ОИ в процессе нагружения определяются предварительным расчетом.
Ширина лепестковой части кромки определяется из условия, что сила трения больше половины силы выдавливания:
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>к</mi><mrow><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>b</mi><mo>></mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>д</mi><mi>а</mi><mi>в</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>h</mi><mo>,</mo></mrow>
где
тр
F - сила трения на 1 погонный метр лепестковой части кромки,
тр
к - коэффициент трения материала кромки по металлу,
b - минимальная ширина лепестковой части,
max
min
P и P - давление в мешках соседних отсеков,
выдавл.
max
min
F - сила выдавливания на один погонный метр кромки из ячейки с большим давлением P в соседнюю ячейку с меньшим давлением P,
h - максимально допустимое расстояние между краем ребра ячейки и ОИ (определяет высоту основной части кромки, зависит от деформации ОИ).
Толщина опорной части кромки определяется из условия, чтобы ее максимальный прогиб A не превышал толщины ребра d при максимальном расстоянии между краем ребра ячейки и ОИ.
Кромка рассчитывается как удлиненная прямоугольная мембрана, защемленная по периметру. Величина максимального прогиба составляет:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mi>δ</mi><mo>⋅</mo><mn>0.37</mn><mroot><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi></mrow><mi>E</mi></mfrac><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>h</mi><mi>δ</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>4</mn></msup></mrow><mn>3</mn></mroot><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><mo>≤</mo><mi>d</mi><mo>,</mo><mtext> где</mtext></mtd></mtr></mtable>
Δ - максимальный прогиб кромки, 5 - толщина опорной части кромки,
<mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
E - модуль упругости материала кромки,
d - толщина ребра.
max
min
тр
По расчету для кромки из резины для максимального ожидаемого расстояния между краем ребра и ОИ h=25 мм и условий: P=0,2 МПа, P =0,1 МПа, к=0,25, E=10 МПа, толщина ребра d=4 мм, минимальная ширина лепестковой части составила 30 мм, а толщина кромки 3,5 мм. Высота Н опорной части кромки с учетом h=25 мм и необходимости крепления к ребру составляет 50 мм. Максимальный прогиб опорной части кромки равен 3,9 мм.
Ввиду того что не представляется возможным при расчете учесть все влияющие факторы (например, совместное нагружение мешка и кромки), отсутствие точных данных по деформации ОИ и характеристикам материалов, окончательно размеры эластичной кромки уточняются в процессе отработки.
Каждая ячейка имеет в ограничительной обечайке лючок 13 с крышкой.
Мешки соединены с системой подачи переменного давления газа 14, включающей источник давления, редуктор, коллектор, регулирующие клапаны и аппаратуру управления, и датчиками 15 для измерения давления в каждом мешке. Система подачи давления дополнительно снабжена датчиками 16 для измерения давления газа непосредственно в каждой ячейке при разгерметизации мешка. На ребрах ячеек установлены датчики перемещений 17 со штоками 18.
Предлагаемый стенд для прочностных испытаний работает следующим образом. Перед испытанием вокруг ОИ смыкаются половинки ограничительной обечайки и неподвижно соединяются с силовым порталом. Через лючки в обечайке контролируются и при необходимости расправляются лепестковые части кромок, закладываются и расправляются эластичные надувные мешки. Через крышки лючков выводятся штуцера подвода и дренажа газа и измерения давления в мешке. На крышках же лючков имеются штуцера для дополнительных датчиков измерения давления в ячейке. После завершения коммутации всех шлангов, клапанов, измерительных и управляющих кабелей проводится опрессовка стенда. Для этого в мешки подается давление газа не более 40% от того, которое будет в процессе испытания. При этом мешки окончательно расправляются и прижимают к ОИ лепестковые части кромок. В процессе испытания от системы подачи переменного давления в мешки подается давление газа в соответствии с программой испытания. Это давление соответствует распределению давления по поверхности ОИ в полете с учетом изменения по времени.
Разность давлений в соседних ячейках стремится выдавить мешок из ячейки с большим давлением в ячейку с меньшим давлением через зазор между ОИ и ребром. Этому препятствует эластичная кромка своими опорной и лепестковой частями.
При воспроизведении реальных неравномерных распределений нагрузок ОИ деформируется и смещается внутри ограничительной обечайки. Величина смещения измеряется датчиками перемещения. При отдалении ОИ от края ребра ячейки эластичная часть кромки частично вытягивается из под мешка, продолжая препятствовать выдавливанию мешка. При приближении ОИ к краю ребра эластичная часть кромки изгибается. Если возникнет угроза опирания ОИ на край ребра по показаниям датчиков перемещения система подачи давления среагирует сбросом давления газа в соответствующих мешках.
В случае если какой-нибудь мешок разрушится, то из-за наличия лепестковых частей кромок не происходит мгновенного падения давления газа в ячейке. Система подачи давления по показаниям датчиков давления в поврежденном мешке и датчика давления в той же ячейке начнет синхронно понижать давление в мешке ячейки с противоположной стороны ОИ, чтобы избежать случая нештатного нагружения.
Предлагаемая конструкция стенда для прочностных испытаний повышает надежность проведения испытаний, обеспечивает проведение испытаний с нагружением переменными распределенными нагрузками с более точным воспроизведением условий полета.