Способ испытания на сдвиг образцов из многослойного полимерного композиционного материала
METHOD FOR SHEAR TESTING OF SAMPLES MADE OF MULTILAYER POLYMER COMPOSITE MATERIAL

Способ относится к области экспериментального определения напряжений межслоевой прочности в образцах основных силовых элементов конструкций из полимерного композиционного материала (ПКМ) при нагружении.
В рамках работ по совершенствованию прочностных характеристик агрегатов планера летательного аппарата (ЛА) из полимерных композиционных материалов (ПКМ) необходимо иметь четкое представление о дискретных характеристиках, с учетом используемых материалов и технологии производства, влияющих на прочность соединения в зонах сопряжения элементов силовых конструкций интегрального типа.
Для получения необходимых прочностных характеристик проводятся опытные работы, однако прямого способа (метода) определения прочности при межслоевом сдвиге в критическом сечении сопряжения элементов конструкций из слоистых материалов, например, в плоскости перехода от стрингера к обшивке по основанию формообразующего «жгута» с коэффициентом Пуассона, отличным от основного конструкционного материала, в настоящее время нет. А именно по этой плоскости происходит расслоение силовых конструкций из ПКМ при нагружении
Из существующего уровня техники известен способ испытаний на сдвиг гладкой пластинки из полимерного композиционного материала (ПКМ), закрепленной в жесткой квадратной рамке с шарнирными соединениями в ее углах (см. «Прочность и устойчивость элементов и соединений авиационных конструкций из композитов. М. Физматлит., 2013 г., с. 99-110). Сдвиг в плоскости листа в пластинке реализуется при перекашивании пластинки и рамки путем растяжения последней по одной из диагоналей (см. ГОСТ 24778-81 Пластмассы. Метод определения сдвига в плоскости листа). Указанный способ не обеспечивает возможности определения прочности конструкций интегрального типа при межслоевом сдвиге в зоне сопряжения элементов.
Также из уровня техники (см. патент RU 2490513 С2, G01N 3/24, опубликованного 20.03.2013) известен способ испытания и определения прочности диффузионного соединения листовых заготовок при сдвиге. Растягивающая нагрузка и реакция прикладываются через накладки к пластинам в противоположные от соединения стороны, вызывая в нем деформации сдвига. При этом длина рабочей части образца в указанном способе изготавливается равной длине нахлеста.
Указанный способ не позволяет определять прочность межслоевого сдвига в элементах силовых конструкций из ПКМ интегрального типа.
Известен так же метод (способ) определения прочности при межслоевом сдвиге путем испытания на трехточечный изгиб короткой балки (бруска) прямоугольного сечения (ОСТ1 90199-75 Материалы полимерные композиционные. Метод определения прочности при сдвиге путем испытания на изгиб). Способ основан на использовании формулы Журавского, позволяющей вычислять касательные напряжения в продольных сечениях изогнутого бруса, при этом эпюра касательных напряжений по высоте сечения балки имеет вид параболы (В.И. Феодосьев. ГИ. ФМЛ. Москва. 1963 г. с. 135-140).
Приведенный способ не позволяет определить прочность при межслоевом сдвиге в элементах силовых конструкций из ПКМ интегрального типа в месте их сопряжения.
Аналогом является так же способ испытаний композитов на сдвиг в плоскости листа - способ Н. Иосипеску. Он стандартизован и применяется как в зарубежной, так и в отечественной практике для определения сдвиговых характеристик композиционного материала (ГОСТ Р 5679-2015 Композиты полимерные. Метод определения механических характеристик при сдвиге на образцах с V-образными надрезами). Суть способа заключается в определении прочности при сдвиге композиционного листового пакета. Испытания проводятся на образцах с симметричными V-образными надрезами, расположенными по центру в специальном приспособлении, позволяющем локализовать деформацию сдвига в образце между надрезами. На приспособление прикладывают нагрузку с постоянной скоростью деформирования, до тех пор, пока не произойдет разрушение образца от сдвиговых напряжений или не будет достигнут предел 5% деформаций сдвига. Настоящий способ не позволяет определить прочность при межслоевом сдвиге в плоскости сопряжения конструкций из ПКМ интегрального типа силовых агрегатов планера ЛА.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является метод (способ) испытания на сдвиг перекашиванием пластин (образцов) из ПКМ конструкционного назначения ГОСТ Р 50578-93 с датой введения 1994.07.01. Образец из ПКМ квадратной формы с накладками и отверстиями фиксируют на неподвижной плите, располагая образец слоями перпендикулярно к ней, и прикладывают к испытуемому образцу вдоль его слоев силу до достижения сдвига слоев, осуществляя при этом измерение силы и деформации. Образец закрепляют в приспособлении. Центральная часть пластины в приспособлении при нагружении деформируется (аналог трехточечного изгиба), вызывая по краям пластины симметричные реакции и сдвиг удаленных рабочих зон при их перекашивании в плоскости листа.
Указанный способ не позволяет создавать между элементами интегральной конструкции межслоевой сдвиг в плоскости их сопряжения.
Недостатком всех выше указанных способов является отсутствие возможности создавать деформированное состояние межслоевого сдвига, присущее интегральным конструкциям, в том числе и в критической зоне сопряжения стрингера с обшивкой, проходящей по основанию формообразующего «жгута».
Техническим результатом является возможность определения предельных напряжений межслоевой прочности в зоне сопряжения основных силовых элементов (ОСЭ) конструкций интегрального типа, обеспечивающего повышение точности и достоверности воспроизведения условий деформирования слоистых композиционных панелей планера ЛА в процессе испытаний и эксплуатации, приводящих к массовому расслоению ОСЭ.
Технический результат достигается тем, что в способе испытания на сдвиг образцов из многослойного полимерного композиционного материала, в образце предварительно, перпендикулярно слоям, делают прорезь вдоль всего образца глубиной до заданного для сдвига слоя или границы слоев, испытуемый образец фиксируют на неподвижной плите, располагая образец слоями перпендикулярно к ней, образец располагают прорезью параллельно неподвижной плите, а силу прикладывают к участку отсеченного торца образца, смежному с прорезью, вдоль его слоев до достижения сдвига слоев, осуществляя при этом измерение силы и деформации.
Прорезь имеет ширину не менее 0,08 ширины отсеченного торца образца. Нагрузку к торцу отсеченной части образца прикладывают с постоянной скоростью перемещения отсеченной части через фиксируемый шарнир и пуансон.
В качестве образца используют образец типовой зоны соединения стрингера с обшивкой основной силовой конструкции летательного аппарата.
Прорезь выполнена до заданного слоя, в том числе до формообразующего «жгута» с технологическими особенностями структуры интегральной конструкции основных силовых элементов. Торцы образца изготавливают параллельными. Образец фиксируют в приспособлении, исключающем отгиб сдвигаемой части образца, а между сдвигаемой частью образца и приспособлением наносят антифрикционное покрытие.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а так же преимущества настоящего способа следуют из описания примера выполнения заявленного способа с использованием чертежей, на которых показано:
- фиг. 1 - Образец слоистой конструкции с отсеченной прорезью частью;
- фиг. 2 - Образец типового ОСЭ в опорном приспособлении с установочными болтами и вкладышами.
Данный способ включает в себя процесс нагружения по торцу отсеченной части слоистого образца и сдвига ее по линии сопряжения элементов, например, обшивки и лапки стрингера.
Базовым элементом, лежащим в основе способа, является образец слоистой конструкции из ПКМ - 1 с прорезью - 2, перпендикулярной слоям до заданного слоя, например, стрингер с присоединенной обшивкой, вырезанный из силовой панели крыла с прорезью всей обшивки на глубину равную толщине обшивки.
Образец 1 с обработанными параллельными торцами и прорезью 2 установлен между нажимных плит 3, одна из которых содержит в своем составе поворотный фиксируемый шарнир 4, пуансон 5, расположенный по отсеченному торцу образца 6. Сдвиг отсеченной части, на примере образца в виде стрингера с присоединенной обшивкой 1, происходит по плоскости сопряжения лапки стрингера с обшивкой, проходящей через основание формообразующего «жгута» 7. Образец закреплен в обойме приспособления 8 с помощью прижимных болтов 9 и вкладышей 10; на поверхность обшивки нанесено антифрикционное покрытие 11, снижающее трение в процессе перемещения отсеченной части обшивки по направлению действия силы в нагружающем устройстве. При этом прижимные болты в зоне отсеченной части обшивки заворачиваются до касания прижимной пластины 12 приспособления к обшивке, а болты 9 в зоне основной обшивки с усилием, исключающим любое проскальзывание обоймы.
Способ осуществляется следующим образом:
Испытуемый образец 1 из многослойного полимерного композиционного материала фиксируют на неподвижной плите 3, располагая образец 1 слоями перпендикулярно к ней. Затем прикладывают к испытуемому образцу 1 вдоль его слоев силу Р до достижения сдвига слоев, осуществляя при этом измерение силы и деформации.
В образце 1 предварительно, перпендикулярно слоям, делают прорезь 2 вдоль всего образца 1 глубиной до заданного для сдвига слоя или границы слоев, образец 1 располагают прорезью 2 параллельно неподвижной плите 3, а силу Р прикладывают к участку отсеченного торца образца 6, смежному с прорезью 2. Прорезь 2 имеет ширину не менее 0,08 ширины отсеченного торца образца 6. Нагрузку к торцу 6 отсеченной части образца прикладывают с постоянной скоростью перемещения отсеченной части.
В качестве образца используют образец типовой зоны сопряжения стрингера с обшивкой основной силовой конструкции летательного аппарата. (Приложение 1).
Прорезь 2 выполнена до заданного слоя, соответствующего основанию формообразующего «жгута» 7 с технологическими особенностями структуры интегральной конструкции основных силовых элементов.
Торцы образца изготавливают параллельными.
Образец 1 фиксируют в приспособлении, исключающем отгиб сдвигаемой части образца, а между сдвигаемой частью образца и приспособлением наносят антифрикционное покрытие 11.
Граничные условия обеспечивают характер деформирования образца идентичным натурной конструкции ОСЭ крыла.
Данный способ может быть использован для прямого определения предельных напряжений межслоевой прочности в зоне сопряжения стрингера и обшивки силовых конструкций интегрального типа. Эти характеристики свидетельствуют не только о качестве изготовления силовых панелей, но и входят в перечень расчетных характеристик планера из ПКМ.
Усилие сдвига отсеченной части обшивки (разрушение конструктивного образца из ПКМ) является необходимым условием получения в цифровом формате величины предельных касательных напряжений межслоевой прочности, появление которых вызывает расслоение в ОСЭ интегрального типа планера ЛА.
Параметрические экспериментальные исследования сдвиговой прочности с различными соотношениями толщины обшивки и стрингера, а также сопоставление опытных данных с результатами МКЭ (методом конечного элемента) расчетов в диапазоне отношения толщины обшивки к длине отсеченной ее части 0,25-0,65 дает расхождение не более 5%.
Использование описанного способа позволяет повысить достоверность получаемых прямых экспериментальных данных по межсдвиговой прочности ОСЭ в зоне сопряжения. В настоящее время эти напряжения определяются либо расчетом, либо косвенно на образцах, вырезанных только из обшивки. Достоверность данных по фактической сдвиговой прочности повышается на 30-35% по сравнению с расчетными оценками и косвенным экспериментом, не учитывающими технологию производства ОСЭ и концентрацию в углах формообразующего «жгута» (Приложение 2, фото «жгута» до и после разрушения).
Предложенный способ позволяет испытывать образцы типовых конструкций в широком спектре размеров и, используя опытные данные, корректировать технологию производства панелей, расчетные характеристики и верифицировать методики расчета.