Образец для испытания многопролетных подкрепленных панелей

Полезная модель относится к области испытаний элементов конструкции летательных аппаратов из современных полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Для повышения весовой эффективности конструкции летательных аппаратов на этапе эскизного проектирования планера проверяют рациональные проектные параметры, при которых значительно сокращается также трудоемкость за счет уменьшения числа входящих в конструкцию деталей.
В настоящем подход к созданию экспериментальных лабораторных образцов многопролетных панелей и устройств для испытаний, которые были предложены и успешно опробованы при использовании в панелях металлических сплавов, не подходит для ПКМ, а параметрические испытания этих образцов, как правило, дают заниженные характеристики прочности по отношению к натурной конструкции, например, панелей крыла. Граничные условия же опирания конструктивно-подобных панелей в экспериментальных образцах должны воспроизводить при испытаниях характер деформирования длинномерных неразрезных панелей натурной конструкции.
Одна из особенностей при этом, это расслоение торцов многопролетных панелей, вырезанных из натурной конструкции, оно в настоящее время, как правило, возникает при испытаниях из-за различия коэффициентов Пуассона формообразующего "жгута" и основного материала, отсутствия в ПКМ зоны пластического деформирования типовых конструкций интегрального типа при отсутствии равномерного стеснения торцов (Приложение 1).
Из существующего уровня техники известно устройство (образец) для испытания на сжатие образцов-пластин, шарнирно опертых по вертикальным кромкам и защемленным по нагруженным (см. "Прочность и устойчивость элементов и соединений элементов авиационных конструкций из композитов" Москва. Физматлит. 2013 г., стр. 89-99). Указанный образец не содержит в себе узлы для подкрепления нагруженных отрезных торцов.
Аналогом заявленного технического решения может служить также устройство с образцом металлокомпозиционного соединения в конструктивно-подобных штатных панелях из ПКМ (патент на полезную модель RU 148805, G01N3/08, опубликованный 20.12.2014 г.). Указанные образец и устройство не обеспечивают возможность моделировать конфигурацию длинномерных неразрезных панелей из ПКМ, опертых на многочисленные натурные нервюры и не препятствуют расслоению отрезных торцов при лабораторных испытаниях элементов из ПКМ, деформирующихся в линейной зоне, вплоть до разрушения.
Еще одним аналогом заявленного технического решения является устройство для крепления экспериментальных образцов панелей, состоящее из распорных обойм с призматическими скользящими вкладышами, установленными на панелях из ПКМ (патент на полезную модель RU 128930, МПК G01N3/08, опубликованный 10.06.2013). Недостатком технического решения является то, что оно не обеспечивает по контуру торца стеснения (подкрепления) образца панели крыла с переменной геометрией продольного силового набора в зоне нагружения.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является образец (устройство) для испытания подкрепленной панели, известный из патента SU 1840335 A1, G01N3/08, опубликованного 10.10.2006. Указанный образец состоит из двух параллельных трехпролетных панелей, двух крайних и двух средних нервюр, связывающих панели между собой и двух боковых стенок, закрепленных на нервюрах. Образец снабжен также шарнирными (опорными) узлами, внешние обоймы которых закреплены на соответствующих крайних нервюрах, внутренние - на концах одной из неразрезных трехпролетных панелей, при этом ось шарнира лежит на линии, расположенной в плоскости, параллельной обшивке проходящей через линию центров поперечных сечений панелей. Указанный образец не обеспечивает возможности испытаний на сжатие многопролетных образцов панелей интегрального типа верхней поверхности крыла ЛА из ПКМ с подкрепленными торцами.
Другим недостатком всех вышеуказанных технических решений является отсутствие возможности моделировать натурное деформирование образцов панелей верхней поверхности крыла из ПКМ за счет исключения расслоения их отрезных торцов.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка конструкции устройства (образца), повышающего достоверность результатов лабораторных испытаний образцов панелей верхней плоскости крыла ЛА из ПКМ при снижении материалоемкости дорогостоящего ПКМ, что является техническим результатом.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для испытания многопролетных подкрепленных панелей, содержащем указанную панель, боковые стенки, опорные узлы на торцах панели и нервюры, поверхности панели выполнены из слоистого композиционного материала, а опорные узлы выполнены в виде соединенных между собой стяжными элементами жестких обойм с размещенными между ними враспор клиновидными вкладышами, между которыми размещены упругие элементы.
Упругие элементы закреплены на фиксаторах клиновидных вкладышей. Опорные узлы нагружаемых торцов панелей из слоистых композиционных материалов различной геометрии выступают за крайние нервюры на длину, равную 0,6-1,1 от толщины обшивки. Нагружаемые параллельные торцы панелей из слоистых композиционных материалов выступают за опорные узлы на длину, равную 20-30% от толщины обшивки. Отношение диаметра стяжных элементов, проходящих с зазором через торцевую зону, закрепляющих опорные узлы на торцах панели из слоистых композиционных материалов и расположенных в промежутке между стрингерами продольного силового набора, к толщине обшивки лежит в диапазоне 1,1-1,7 с твердостью материала крепежа не менее 37 HRC. Количество нервюр на одну больше количества пролетов.
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания примера выполнения заявленного образца с использованием чертежей, на которых показано:
фиг. 1 - устройство (образец) для испытания многопролетных подкрепленных панелей из ПКМ;
фиг. 2 - универсальные опорные узлы с обоймами, с распорными клиновидными вкладышами, упругими элементами (пружинами) с фиксаторами, стяжными элементами (болтами с гайками) и антифрикционным покрытием.
Устройство для испытания многопролетных подкрепленных панелей (образец) содержит две панели из ПКМ 1, нервюры 2, боковые стенки 3 и опорные узлы 4 на торцах панели, которые в свою очередь состоят из жестких обойм 5 с размещенными с ними враспор клиновидными вкладышами 6, упругих элементов (пружин) 7, закрепленных на фиксаторах 8 и стяжных элементов (болтов) 9. Поверхности панели выполнены из слоистого композиционного материала.
Подготовка и испытание образца происходят следующим образом: на торцы панели из слоистого композиционного материала 1 монтируют поочередно с каждой стороны жесткие обоймы 5, устанавливают клиновидные вкладыши 6 с необходимыми упругими элементами (пружинами) 7, стягивают их стяжными элементами (болтами) 9, проходящими с зазором через торцевую зону панели, и гайками, обеспечивая при этом зазор между опорными узлами и нагружаемыми торцами 20-30% от толщины обшивки, а общий выход опорных узлов на расстояние 0,6-1,1 от толщины обшивки. Размещенные между клиновыми поверхностями распорных вкладышей упругие элементы (пружины) 7 и антифрикционное покрытие 10 контактных поверхностей обеспечивают равномерное расчетное давление (стеснение) нагружаемых торцов, препятствуя их расслоению на ранней стадии деформирования.
Панели в образце нагружаются поочередно, а реализованные граничные условия на торцах создают натурное поле деформаций по всей длине многопролетной панели из ПКМ.
Необходимость же проведения зачетных испытаний панелей силового каркаса из ПКМ в условиях, приближенных к эксплуатационным, регламентируется авиационными правилами и требованиями "Пирамиды" (приложение 2) расчетно-экспериментальных исследований прочности, выполнение которых требуется для обоснования выбора укладки перспективного материала, конструкторских решений, критериев прочности и технологических операций, валидации методик расчета и сертификации конструкции планера ЛА в целом.
Созданный образец с двумя подкрепленными по торцам многопролетными панелями из ПКМ обеспечивает определение достоверных данных по фактической прочности при сжатии с учетом моделирования влияния внешней среды, условий эксплуатации и производственных дефектов.
Технический результат достигается тем, что экспериментальный образец с двумя многопролетными параллельными панелями из ПКМ содержит в себе натурную геометрию последних, типовые элементы соединения их с нервюрами и универсальными опорными узлами для подкрепления (стеснения) отрезанных нагружаемых торцов. Опорные же узлы выполнены в виде жестких обойм с распорными, например, "плавающими", клиновидными вкладышами закрепленными, например, множеством стяжных элементов (болтов) на концах (торцах) слоистых панелей интегрального типа. Опорные узлы выступают за крайние нервюры на длину, равную 0,6-1,1 от толщины обшивки. Нервюры же, имеющие реальную конфигурацию, разделяют в образце каждую, например, стрингерную панель, на равные по длине участки, а зазоры между опорными узлами и торцами панелей, объединенных в кессон (устройство) боковыми стенками и нервюрами, общее количество которых на одну больше количества пролетов, и опорными узлами, лежат в диапазоне 20-30% от толщины обшивки. При этом распорные вкладыши с антифрикционным покрытием и углом наклона примерно 45° снабжены сменными упругими элементами, например, круглыми "матрасными плавающими" пружинами с формой однополостного гиперболоида, опертыми на фиксаторы, и обеспечивающими расчетное равномерное поперечное давление (стеснение) на контур панели в зоне ее нагружения по торцам, а переменный регулируемый зазор между ними позволяет многократное использование их для подкрепления отрезных торцов панелей из слоистого композиционного материала с различным шагом продольного стрингерного набора. Образец позволяет за счет регулируемого зазора между вкладышами, при их плотном прилегании к контуру панели в торцевой зоне, использовать его для образцов натурных конструкций из ПКМ сжатых зон крыла различной геометрии. При этом сокращается время и уменьшается стоимость проведения экспериментальных работ.
Выше изложенное позволяет повысить достоверность опытных результатов, полученных в лабораторных условиях, а также снизить материалоемкость эксперимента.
Изготовленные опытные образцы устройства для панелей с различной геометрией силового продольного набора, проведенные лабораторные испытания серии натурных стрингерных панелей с учетом влаго- и топливонасыщения слоистого материала, изменения температурного режима, а также с технологическими дефектами, эксплуатационными повреждениями и их ремонтом в зачетной зоне многопролетной панели, подтвердили положительный эффект предложенного технического решения, а, именно, повышение достоверности получаемого результата на 25-30%, а масса образца эквивалентна прототипу. Опорные узлы при этом использовались многократно для подкрепления торцов панелей с различным шагом стрингеров продольного набора.