Устройство для испытания панелей
DEVICE FOR TESTING PANELS

Изобретение относится к области испытаний летательных аппаратов на прочность, в частности к объектам испытаний на сложное нагружение экспериментальных подкрепленных крыльевых и фюзеляжных панелей летательного аппарата, выполненных из полимерного композиционного материала (ПКМ), для определения устойчивости и несущей способности при одновременном нагружении сжатием и сдвигом, а также выбора рациональной конфигурации подкрепленных панелей в агрегатах из ПКМ.
Из существующего уровня техники (см. патент RU 2490613 С2, G01N 3/24, опубликованный 20.08.2013) известен образец (устройство) для испытания диффузионного соединения листовых заготовок на сдвиг, состоящий из двух соединенных внахлест пластин, образующих диффузионное соединение, имеющий совмещенные с ними накладки, расположенные с противоположных от соединения сторон. Длина рабочей части образца равна длине нахлеста, составляющей не менее четверти высоты образца, ширина образца равна не менее половины длины нахлеста. Известный образец не обеспечивает возможности испытаний на сжатие и сжатие со сдвигом подкрепленных панелей из полимерного композиционного материала.
Также из уровня техники (см. патент RU 127920 U1, G01N 3/24, опубликованный 10.05.2013) известны образец и устройство для испытаний на внецентренное сжатие двутавровых металлических профилей с отверстиями по углам на верхней и нижней поверхностях для его фиксации в испытательном устройстве, а устройство дополнительно снабжено нижней и верхней опорными плитами с фиксирующими шпильками.
Указанные образец и устройство не обеспечивают возможности испытаний подкрепленных панелей из ПКМ на комбинированное нагружение (сжатие со сдвигом).
Помимо этого, аналогом заявленного технического решения является образец (устройство) для испытаний подкрепленной панели, известный из патента SU 1840335 A1, G01N 3/08, опубликованного 10.10.2006.
Указанный образец для испытания подкрепленной панели состоит из двух параллельных неразрезанных трехпролетных панелей, двух крайних и двух средних нервюр, связывающих панели между собой и двух боковых стенок, закрепленных на нервюрах. Образец снабжен также опорными шарнирными узлами, внешние обоймы которых закреплены на соответствующих крайних нервюрах, а внутренние - на концах одной из неразрезанных трехпролетных панелей, при этом ось шарнира лежит на линии пересечения серединной плоскости соответствующей крайней нервюры с плоскостью, проходящей параллельно обшивке через линию центров тяжести поперечных сечений панели. Указанный образец не обеспечивает возможность испытаний на сжатие и сдвиг подкрепленных панелей летательного аппарата, выполненных из ПКМ, и защиту конструкции устройства в момент разрушения экспериментальной панели из ПКМ.
Известно также устройство для испытаний на сжатие шарнирно опертых по вертикальным кромкам и защемленными по нагруженным кромкам пластин из ПКМ (см. "Прочность и устойчивость элементов и соединений элементов авиационных конструкций из композитов". Москва. Физматлит. 2013 г., стр. 89-99).
Указанное устройство не обеспечивает возможности испытаний на сложное нагружение (сжатие со сдвигом).
Еще одним аналогом заявленного технического решения является устройство для испытаний на сдвиг гладкой пластины из ПКМ, закрепленной в жесткой квадратной рамке с шарнирными соединениями в ее углах (см. "Прочность и устойчивость элементов и соединений элементов авиационных конструкций из композитов". Москва. Физматлит. 2013 г., стр. 89-99, стр. 100, 105, 115).
Указанное устройство не обеспечивает возможности испытаний на нагружение сжатием со сдвигом экспериментальной подкрепленной панели из ПКМ.
Аналогом заявленного технического решения может служить также стенд (устройство) для испытаний панелей из ПКМ, включающий в себя металлокомпозиционное соединение, на сжатие (см. патент на полезную модель RU 148805, G01N 3/08, опубликованный 20.12.2014).
Указанное устройство (стенд) не позволяет нагружать экспериментальный образец сжатием и сдвигом одновременно и получать фактическую прочность при сложном нагружении, реализуемом при эксплуатации в летательном аппарате.
Еще одним аналогом заявленного технического решения является устройство для испытаний на сжатие типовых элементов силового каркаса планера летательного аппарата: многопролетных подкрепленных панелей в лабораторных условиях. Для испытаний используется экспериментальная трехпролетная панель, оснащенная тензорезисторами, с присоединенными к ней типовым крепежом поперечными нервюрами или шпангоутами, боковыми стенками, которые, в свою очередь, соединены со второй идентичной панелью, образуя замкнутую систему в виде кессона. Испытания панелей кессона происходят поочередно, при этом в среднем зачетном пролете реализуются условия опирания натурной конструктивной панели в месте соединения ее с нервюрами или шпангоутами, близкие к реальным (см. научный журнал «Исследования наукограда», №1 (11), 2015, стр. 32-39).
Указанное устройство для испытаний не обеспечивает возможности испытаний на сложное нагружение (сжатие со сдвигом) верхних панелей центроплана, крыла и ряда других агрегатов планера летательного аппарата (ЛА).
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является устройство для испытаний на прочность при сжатии экспериментальной подкрепленной панели, состоящее из двух одинаковых параллельных трехпролетных панелей с зачетной средней частью, на которых установлены тензодатчики. Панели связаны между собой четырьмя нервюрами, объединенными между собой с помощью типового крепежа парой боковых стенок. Нагружение панели происходит с помощью силового привода, например, испытательной машины путем перемещения активной траверсы, включающей в себя регулируемый сферический шарнир, либо посредством силовозбудителей, связанных с маслонасосной станцией (см. "Техника воздушного флота", 1986 г., №1, стр. 70-73). Указанное устройство не обеспечивает возможности испытаний при одновременном сжатии и сдвиге панели летательного аппарата, выполненной из ПКМ.
Все указанные известные устройства позволяют определять прочность и устойчивость элементов силового каркаса ЛА только при простом одноосном нагружении.
Недостатком всех вышеприведенных технических решений является отсутствие, в лабораторных условиях, возможности испытаний при сложном двухкомпонентном нагружении панелей крыла, центроплана, оперения и ряда других агрегатов планера, имитируя потоки сжимающих и сдвиговых усилий, действующие на них в эксплуатации одновременно.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка конструкции устройства, обеспечивающего повышение точности воспроизведения условий работы подкрепленной панели силового каркаса планера ЛА, изготовленной из ПКМ, и достоверности опытных результатов.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности результатов эксперимента, точности условий нагружения и воспроизведения граничных условий, а также характера деформирования типовой экспериментальной панели силового каркаса планера ЛА из ПКМ при сложном нагружении в лабораторных условиях до потери несущей способности.
Решение поставленной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что устройство для испытания панелей, содержащее силовой привод, боковые стенки, расположенную между ними экспериментальную панель, например, подкрепленную силовым набором, с рабочим участком в центральной зоне, тензорезисторы, дополнительно содержит упругодеформируемую плиту, которая жестко соединена с боковыми стенками, между которыми с регулируемым шагом размещены ограничивающие рабочий участок панели поперечные стяжки, боковые стенки имеют средний участок с пониженной жесткостью в зоне рабочего участка панели, силовой привод содержит тяги для приложения активных усилий по коротким сторонам панели, а в углах рабочего участка панели по диагонали расположены реактивные тяги.
Экспериментальная панель выполнена трехпролетной с рабочим участком в среднем пролете. Панель по длинным сторонам жестко соединена с боковыми стенками. Реактивные тяги присоединены к упругодеформируемой плите с внешней стороны устройства. Участки с пониженной жесткостью боковых стенок выполнены с прорезями, при этом прорези могут быть различной конфигурации, тензорезисторы установлены на панели, и/или упругодеформируемой плите, и/или на боковых стенках, а устройство дополнительно содержит страховочные приспособления в виде ограничителей деформации панели и боковых стенок.
Краткое описание чертежей.
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания примера выполнения заявленного устройства с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - конструкция устройства для испытания панелей.
Фиг. 2 - схема нагружения активными Р, реактивными R усилиями панели из ПКМ в устройстве для испытаний. Рабочий участок панели расположен в центре между поперечными стяжками.
Фиг. 3 - устройство в разрезе в зоне рабочего участка панели.
Данное устройство может служить для создания сложного двухкомпонентного нагружения усилиями сжатия и сдвига одновременно экспериментальных подкрепленных панелей планера ЛА. Оно содержит экспериментальную трехпролетную подкрепленную панель 1 из ПКМ, расположенную между боковыми стенками 2, например, швеллерного сечения, и соединенную с полками боковых стенок по продольным кромкам типовым крепежом 3, упругодеформируемую плиту 4, например, выполненную из металла, две тяги 5 для приложения (передачи) активных усилий по коротким сторонам панели с шарнирами в точках крепления, две шарнирные тяги 6, передающие (воспринимающие) реактивные усилия в точках крепления, присоединенные к ребрам жесткости 7, присоединенным, в свою очередь, к упругодеформируемуой плите 4 с внешней стороны устройства, две тяги 8, соединенные с регулируемыми страховочными приспособлениями в виде регулируемых упоров, две оси 9, кронштейны 10, поперечные стяжки 11, например, трубчатого сечения, имитирующие нервюры, тензорезисторы 12, установленные на обшивке и стрингерах панели 1, на упругодеформируемой плите и среднем участке пониженной жесткости 13 с прорезями 14 боковых стенок 2 и концевые упоры 15. Прорези могут быть выполнены различной конфигурации.
Панель 1, изготовленная из ПКМ, имеет конфигурацию реальной панели планера ЛА. Возможно использование панели в исходном состоянии, с типовым повреждением и его ремонтом. Панель прикреплена к двум продольным кромкам полок боковых стенок 2 типовым крепежом 3 в шахматном порядке. С противоположной стороны к полкам боковых стенок 2 присоединена упругодеформируемая плита 4, являющаяся базовым элементом при сборке устройства для испытания панелей на сложное нагружение в лабораторных условиях. Две шарнирные тяги 5, через которые по коротким сторонам панели (устройства) посредством кронштейнов прикладываются активные усилия от силового привода в виде испытательной машины с трехопорной жесткой балкой, либо силовозбудителей, связанных с маслонасосной станцией, соединены с осями 9. На эти же оси 9 опираются тяги 8, соединенные с регулируемыми страховочными приспособлениями в виде ограничителей деформации панели. Страховочные приспособления препятствуют также запредельному деформированию металлических боковых стенок 2, включающих в себя средние участки с пониженной жесткостью 13 с прорезями 14.
Активные усилия через тяги 5 и оси 9, расположенные в отверстиях кронштейнов 10, деформируя боковые стенки 2 и жесткую металлическую плиту 4, передают, с учетом кососимметричного расположения опор (ребер жесткости 7) и тяг 6, соединенных с ними, на рабочий участок панели двухкомпонентное нагружение сжатием и сдвигом одновременно. Во внутреннем пространстве устройства размещены поперечные стяжки 11, соединенные только с боковыми стенками 2 с регулируемым шагом. Можно регулировать и шаг стяжек и, соответственно, шаг крепления шарнирных тяг 6, изменяя соотношение напряжений сжатия и сдвига в рабочем участке панели, имитируя в эксперименте реальное соотношение между сдвигающими и сжимающими силовыми потоками в пределах 15-20%.
На внешней поверхности упругодеформируемой плиты 4 закреплены спаренные ребра жесткости 7, соединенные с шарнирными тягами 6, передающими на устройство реакции опор, расположенных на силовом полу испытательной лаборатории либо опорной плите испытательной машины. В процессе непрерывного нагружения тензорезисторы 12 измеряют текущие деформации в обшивке и стрингерах экспериментальной панели 1, упругодеформируемой плите и среднем участке с пониженной жесткостью 13 боковых стенок 2. При этом сдвиг в рабочем участке панели реализуется за счет перекашивания устройства кососимметричными реакциями опор через тяги 6.
Средние участки 13 боковых стенок 2 снабжены прорезями 14, обеспечивающими пониженную жесткость (повышенную степень деформации) этих средних участков, позволяющую нагружать исследуемую экспериментальную панель из ПКМ вплоть до разрушения, а место расположения поперечных стяжек 11 может изменять соотношение напряжений сжатия и сдвига в рабочем участке в пределах 15-20%.
Использование описанного устройства позволяет повысить достоверность получаемых экспериментальных данных за счет одновременного нагружения панели из ПКМ усилиями сжатия и сдвига на 10-15%, моделируя в лабораторных условиях процесс реального деформирования панели силового каркаса планера ЛА.
Необходимость проведения испытаний панелей силового каркаса из ПКМ в условиях, приближенным к эксплуатационным, регламентируется авиационными правилами, выполнение которых необходимо для заключения по прочности и сертификации конструкции планера ЛА.