Методика экспериментального определения величины давления льда на обшивку сотовых конструкций

УДК 629.7.08

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ДАВЛЕНИЯ ЛЬДА НА ОБШИВКУ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

И.И. ЛЕГЕЗА, Н.П. СМЕТАННИКОВ, М.С. ТОФОРОВ

Статья представлена доктором технических наук Самойленко В.М.

В работе приводятся особенности экспериментального определения величины давления льда на обшивку сотовых конструкций авиационной техники.

Ключевые слова: авиационная техника, эксперимент, давление льда, обшивка, сотовая конструкция, деформация.

В практике эксплуатации авиационной техники имеются случаи отслоения и отрыва обшивки от элементов сотовых конструкций, что приводит к существенному снижению прочности таких агрегатов. Чаще всего отслоения происходят в законцовках агрегатов. Ранее проведенные исследования показали, что в местах отслоения наблюдаются разрушения клеевых швов, зоны коррозионных повреждений поверхностей стенок сотового каркаса и появление в ячейках воды. По нашим предположениям одной из причин разрушения может бать сдавление льда, образующегося из воды, находящейся в ячейках сот. В связи с этим необходимо знать величину давления, которое будет оказывать лед на несущие ячейки и стенки сотового заполнителя в зависимости от начального уровня воды в сотах. Это позволит произвести прочностные расчеты сотовых конструкций.

Фазовое превращение воды в лед представляет собой сложный физический процесс, который трудно поддается аналитическому описанию. Поэтому для определения величины давления льда были проведены экспериментальные исследования.

Целью исследования является определение величины давления льда на боковые и торцевые стенки герметичной емкости в зависимости от начального уровня воды в ней.

В качестве имитатора одной соты с нижней и верхней обшивками была выбрана конструкция в виде цилиндрических металлических стаканов со следующими размерами: высота цилиндра И = 55,5 мм, наружный диаметр Б = 51 мм, толщина стенок цилиндра 5 = 1 мм, расчетный диаметр круглого днища ё = 49 мм. Каждый цилиндр изготавливался из стали 45. После дозированного заполнения всех цилиндров водой, производилась их герметизация путем приваривания верхнего круга-днища. В дальнейшем цилиндры с водой подвергались замораживанию. Для проведения эксперимента было изготовлено несколько таких цилиндров. Давление льда рассчитывалось через деформации экспериментальных образцов.

Известно, что при фазовом превращении воды в лед, ее объем увеличивается на 10%. Т.е. при превращении в лед вода будет расширяться и оказывать давление на дно и стенки емкости. В эксперименте необходимо определить: во-первых, величину давления льда на дно и стенки герметичной емкости при полном заполнении ее водой, во-вторых, выяснить, будет ли оказывать давление льда на дно и стенки герметичной емкости, если изначально цилиндры заполнены водой не полностью и при фазовом переходе в лед ей есть куда расширяться.

Давление льда на дно цилиндра можно рассчитать по величине остаточных деформаций после заморозки воды в нем. Остаточные деформации днища цилиндра выражаются через величину прогиба. Таким образом, давления льда на днище цилиндра определяется через величину его прогибов по формулам, известным из теории пластин и оболочек [1].

Представим дно цилиндра в виде круглой защемленной по периметру пластины, нагруженной равномерно распределенным давлением. Считаем, что днище цилиндра после деформации под действием равномерно распределенного давления р принимает форму сферической поверхности. Схема сферической поверхности расчетного дна цилиндра после воздействия льда представлена на рис. 1.

В таком случае величину действующего давления можно рассчитать по следующей формуле

„ = 4о'Л

й2

Рис. 1

где о; = Г (е)- интенсивность напряжений для плоского напряженного состояния при работе днища цилиндра пластической области деформации металла; е; - интенсивность относительных деформаций для плоского напряженного состояния в днище цилиндра, вызванных внешней распределенной нагрузкой при работе металла в пластической области

4 С2

Є =-

з а2

Величина интенсивности напряжений определяется по значению интенсивности деформаций е из диаграммы растяжения материала о = Г(е). В данном случае интенсивность напряжений ' определяется из диаграммы растяжения для стали 45.

Для простоты расчетов осуществляется упрощение диаграммы растяжения о = Г (е) стали 45. Известно, что при растяжении образцов, изготовленных из пластичных металлов, например, стали 45, когда в поперечном сечении образца возникают напряжения, равные временному сопротивлению ов, деформации в этом образце ев достигают величины, равной 50% от разрушающей деформации образца, т.е. ев = 0.5е10 (где е10 - относительная деформация после разрыва образца на длине 10 = 10ё0, где ё0 - начальный диаметр образца). Если при этом образец работает при больших пластических деформациях, то реальную диаграмму растяжения пластичного металла (сталь 45) можно заменить упрощенной схемой, состоящей из двух прямых, показанных на рис. 2. Согласно такой схемы зависимость = Г (е;) (аналогично и для

о = Г (е)), пренебрегая упругой деформацией, будет иметь вид

=о0.2 + К оеь

где К г

О, - о,

0.2

800

МП*

700

500

300

100

о

св=690В Ша

-- «0,2 =392 МПа

о

с,

в

Рис. 2

Для стали 45 ов = 690 МПа, s02 = 392 МПа, K s = 4257.

Так как в формуле (2) ев в процентах, то для стали 45 e в = 7%.

В эксперименте использовались четыре колбы. Колба № 1 заполнялась водой полностью, № 2 - на 75%, № 3 - на 50% и № 4 - на 25%. Заморозка колб с водой проводилась при температуре t = -30 0С. После заморозки деформации колб определялись с помощью микрометра МК50-75. Обмер показал, что деформации возникли только в колбе № 1, которая изначально была полностью заполнена водой. Максимальный прогиб днища этой колбы составил Z = 2,8 мм.

Для получения более точных экспериментальных результатов аналогичные были проведены с еще двумя цилиндрами, т.е. были полностью заполнены водой и заморожены. Величина максимального прогиба днища этих колб составила Z = 2,9 мм и Z = 2,75 мм соответственно. Таким образом, в среднем величина максимального прогиба получилась равной Zср = 2,82 мм. После обработки экспериментальных данных с помощью формул (1-3) было

определено давление льда на днище цилиндров, которое оказалось равным Рл= 9 МПа.

Эксперимент с цилиндрами показал, что если у воды, находящейся в герметичном сосуде, в процессе ее фазового перехода в лед есть пространство для расширения (изначально вода заполняет емкость менее чем на 90%), то вода будет двигаться вдоль свободного канала емкости, не оказывая существенного давления на ее днище.

ЛИТЕРАТУРА

1. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1974.

2. Морозов В.И., Новицкий В.В. Сопротивление материалов. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1994.

THE METHOD OF IDENTIFICATION OF ICE PRESSURE ON THE CASING OF CELLULAR STRUCTURE IN AN EXPERIMENTAL WAY

Legeza I.I., Smetannikov N.P., Toforov M.S.

In this research some features of identification of ice pressure on the casing of cellular structure of aviation enginery in an experimental way are substantiated.

Key words: aviation enginery, experiment, pressure ice, casing, cellular structure, deformation.

Сведения об авторах

Легеза Иван Иосифович, 1979 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (2003), старший научный сотрудник 4 отдела научно-исследовательского ВУНЦ ВВС «ВВА», автор 15 научных работ, область научных интересов - эксплуатация и восстановление вооружения и военной техники, техническое обеспечение.

Сметанников Николай Павлович, 1940 г.р., окончил Московский авиационный технологический институт (1967), кандидат технических наук, старший научный сотрудник 4 отдела научноисследовательского ВУНЦ ВВС «ВВА», автор более 60 научных работ, область научных интересов -эксплуатация и восстановление вооружения и военной техники, техническое обеспечение.

Тофоров Максим Сергеевич, 1980 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (2002), кандидат технических наук, начальник лаборатории 4 отдела научно-исследовательского ВУНЦ ВВС «ВВА», автор 29 научных работ, область научных интересов - эксплуатация и восстановление вооружения и военной техники, техническое обеспечение.