Способ контроля качества узла соединения керамического обтекателя
QUALITY CONTROL METHOD OF CERAMIC FAIRING CONNECTION UNIT

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА).
В настоящее время для контроля клеевых соединений широко используются ультразвуковые, радиационные, тепловые и прочие методы (Мурашов В.В. Контроль клееных конструкций//Клеи. Герметики. Технологии, 2005. №1, с. 21-27). Недостатком этих методов является то, что не дают информации о механических свойствах соединения. В тех случаях, когда клеевое соединение несет на себе значительные силовые нагрузки, что характерно для узла соединения керамического обтекателя, контроль механических свойств представляет большую важность.
Существует большое количество способов определения механических свойств клеевых соединений (Фрейдин А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений. - М.: Химия, 1981, с. 110-111). Одним из них является способ определения деформационных свойств клеевого соединения, включающий силовое нагружение на сдвиг и измерение сдвиговых деформаций. Однако, данным способом определяют механические свойства клеевого соединения на отдельных образцах, не позволяя в полной мере оценить свойства узла соединения натурного обтекателя.
Известен патент РФ №2466371, МПК G01N 3/24, опубл. 20.05.2016 «Способ контроля узла соединения керамического обтекателя». Основным недостатком этого технического решения является то, что при создании давления во внутренней полости обтекателя клеевой слой испытывает объемную деформацию. Это приводит к большой погрешности определения основных параметров, по которым оценивается качество узла соединения: модуль сдвига клея, коэффициенты жесткости и собственной частоты колебаний керамической оболочки относительно шпангоута.
Модуль сдвига клея в узле соединения может быть определен по формуле:
1
2
где Р - давление во внутренней полости обтекателя; S - площадь сечения по верхнему срезу шпангоута; h- толщина клеевого слоя в исходном состоянии; δ - изменение толщины клея при задании давления во внутренней полости обтекателя; Δ - сдвиг керамической оболочки относительно шпангоута при наружении обтекателя; S - площадь склейки шпангоута с оболочкой.
При нагружении обтекателя заданием давления во внутренней полости изменение толщины клея может достигать до 50% исходной толщины. Это приводит к большим погрешностям и делает невозможным определение основных параметров, по которым оценивается качество узла соединения.
Известен способ контроля узла соединения керамического обтекателя по патенту РФ №2584439, МПК G01N 3/24, опубл. 20.05.2016, выбранный в качестве прототипа. Однако это техническое решение имеет ряд недостатков, которые ограничивают практическое применение способа при контроле прочностных свойств натурных керамических обтекателей. Этот способ ограничивается только определением модуля сдвига клеевого соединения, а комплекс прочностных параметров, который идентифицирует качество узла соединения керамического обтекателя, кроме модуля сдвига включает еще следующие параметры: коэффициенты жесткости клеевого соединения и штифтового соединения в составном шпангоуте, собственную частоту колебаний керамической оболочки относительно шпангоута. Кроме того, в нем не приведен критерий оценки комплекса прочностных параметров и не приведено ограничение продольной силы по величине при испытаниях.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в расширении параметров (коэффициенты жесткости клеевого соединения и штифтового соединения в составном шпангоуте и собственную частоту колебаний керамической оболочки относительно шпангоута) для оценки качества узла соединения повышения точности их определения.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе контроля качества узла соединения керамического обтекателя, включающем силовое нагружение вдоль оси симметрии обтекателя через пуансон с упругой прокладкой, наружная поверхность, которого эквидистантна внутренней поверхности керамической оболочки, а высота взаимодействия пуансона с оболочкой относительно носка меньше половины расстояния между верхним срезом шпангоута и носком обтекателя, сдвиг оболочки измеряют относительно верхнего среза шпангоута минимум в трех точках, находящихся между собой на одинаковом расстоянии, отличающийся тем, что силовое нагружение на испытуемый обтекатель задают до величины не более 50% расчетной нагрузки, определяют параметры узла соединения - жесткость клеевого соединения по формуле:
где n - количество точек измерения сдвига оболочки относительно шпангоута; F - величина продольной силы;  - сдвиг оболочки относительно шпангоута в верхнем торце в i-ом продольном сечении, а жесткость штифтового соединения составных шпангоутов определяется по формуле:
где  изменение зазора между торцом керамической оболочки и несущим кольцом шпангоута, собственную частоту колебаний керамической оболочки относительно шпангоута по формуле:
где m - масса керамической оболочки, а качество узла соединения определяют путем сравнения прочностных параметров узла соединения с соответствующими параметрами эталонного узла соединения обтекателя.
Так как все элементы узла соединения работают (до расчетных параметров) в области упругой деформации, то узел соединения на основе клеев типа Виксинт (для цельного шпангоута) можно представить в виде модели на фиг. 1, где представлена модель узла соединения обтекателя с цельным шпангоутом, а на фиг. 2 представлена модель с составным шпангоутом.
На фиг. 1 и фиг. 2 цифрой 1 обозначена керамическая оболочка, соединенная пружиной 2 (клеевым слоем) с шпангоутом 3, а для составного шпангоута (фиг. 2) пружиной 5 (штифтовое соединение), которое соединяет шпангоут 3 с несущим кольцом 6, через которое обтекатель монтируется к остальной части корпуса ракеты 4.
Упругое взаимодействие между составными частями в представленных моделях (фиг. 1, фиг. 2) может быть описано формулами:
где n - количество точек измерения сдвига оболочки относительно шпангоута; F - величина продольной силы;  - сдвиг оболочки относительно шпангоута (в верхнем торце) в i-м продольном сечении, а жесткость штифтового соединения для составных шпангоутов по формуле:
где  изменение зазора между торцом керамической оболочки и несущим кольцом шпангоута, собственную частоту колебаний керамической оболочки относительно шпангоута по формуле:
где m - масса керамической оболочки, а качество узла соединения определяют путем сравнения прочностных параметров узла соединения с соответствующими параметрами эталонного узла соединения обтекателя, в которых в качестве абсолютного удлинения пружин взято среднее значений сдвига по показаниям датчиков перемещений. Так как клеевое соединение и штифтовое соединение (в составном шпангоуте) представляют собой пространственные пружины, то наибольшую информацию о качестве клеевого и штифтового соединения несет распределение показаний датчиков перемещений в соответствующих сечениях.
i.
На фиг. 3 представлена диаграмма распределения показаний датчиков перемещений, установленных на верхнем срезе шпангоута в момент времени t. Так как продольная результирующая сила равна сумме сил в разных продольных сечениях клеевого соединения, то по распределению показаний датчиков перемещений можно оценить качество клеевого соединения в заданном направлении, а по сличению диаграмм распределения показаний всех датчиков перемещений с соответствующим распределением для эталонного изделия можно оценить прочностные характеристики узла соединения испытуемого обтекателя.
Сличением диаграмм распределения показаний датчиков перемещений в совокупности с интегральными прочностными характеристиками узла соединения: жесткости клеевого соединения, штифтового соединения и собственной частоты колебании керамической оболочки относительно шпангоута с соответствующими параметрами эталонного обтекателя можно однозначно оценить прочностные характеристики и качество узлов соединения натурных керамических обтекателей типа тел вращения.
Для измерения осевого перемещения в процессе контроля могут быть использованы практически любые датчики перемещения: индуктивные, емкостные, лазерные и пр.
Предлагаемый способ может найти широкое применение для комплексной оценки прочностных свойств узлов соединения широкого класса натурных керамических обтекателей.