Устройство для испытания панелей
PANEL TESTING DEVICE

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 (растяжением), давлением и сдвигом, а также выбора рациональной конфигурации подкрепленных панелей в агрегатах из ПКМ.
Из существующего уровня техники (см. патент RU 2490513 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 многокомпонентное сложное нагружение 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 либо растяжение, сдвиг и поперечное давление).
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 (растяжение), сдвиг и поперечное давление 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., с. 89-99).
Указанное устройство не обеспечивает возможности испытаний на сложное нагружение.
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., с. 89-99, с. 100, 105, 115).
Указанное устройство не обеспечивает возможности испытаний на сложное нагружение экспериментальной подкрепленной панели из ПКМ.
Аналогом заявленного технического решения может служить также стенд (устройство) для испытаний на сжатие панелей из ПКМ, включающий в себя металлокомпозиционное соединение (см. патент на полезную модель RU 148805, G01N 3/08, опубликованный 20.12.2014).
Указанное устройство (стенд) не позволяет нагружать экспериментальный образец растяжением либо сжатием, сдвигом и внутренним давлением одновременно и получать фактическую прочность при сложном нагружении, реализуемым 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, с. 32-39).
Указанное устройство для испытаний не обеспечивает его многофункциональность и возможность испытаний на сложное многокомпонентное нагружение панелей центроплана, крыла и ряда других агрегатов планера летательного аппарата (ЛА).
Известно устройство для испытаний на прочность при сжатии экспериментальной подкрепленной панели, состоящее из двух одинаковых параллельных трехпролетных панелей с зачетной средней частью, на которых установлены тензорезисторы. 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, с. 70-73). Указанное устройство не обеспечивает многофункциональность и возможность испытаний при сложном нагружении панели летательного аппарата, выполненной из ПКМ.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного технического решения является устройство для испытаний панелей на прочность при сложном двухкомпонентном нагружении сжатием и сдвигом (патент RU 2653774, G01N 3/10, опубликованный 14.05.2018).
Устройство состоит из силового привода с опорами для приложения активных и реактивных усилий, закрепляемой панели, соединенной по продольным кромкам с полками боковых стенок швеллерного сечения, со средними участками пониженной жесткости в зоне рабочего участка панели, шарнирно закрепленных тяг, создающих нагружение устройства изгибом по краям и тяг, воспринимающих реакции опор кососимметрично расположенных по углам среднего пролета панели из ПКМ, двух тяг, соединенных со страховочными приспособлениями, двух осей, кронштейнов, соединенных с боковыми стенками, поперечных стяжек, соединенных только с боковыми стенками, и упруго-деформируемой плиты, соединенной с полками боковых стенок с противоположной от экспериментальной панели стороны и спаренных ребер на внешней стороне устройства.
Указанное устройство для испытаний не обеспечивает возможность сложного многокомпонентного нагружения панелей различных агрегатов ЛА.
Все указанные известные устройства позволяют определять прочность и устойчивость элементов силового каркаса ЛА только при простом одноосном нагружении либо двухкомпонентном нагружении (сжатие со сдвигом).
Недостатком всех вышеприведенных технических решений является отсутствие, лабораторных условиях, возможности испытаний при сложном многокомпонентном нагружении панелей крыла, центроплана, фюзеляжа и ряда других агрегатов планера, имитируя потоки растягивающих, сжимающих, сдвиговых усилий и поперечного давления, действующие на них в эксплуатации, в определенной комбинации, одновременно. Не обеспечена также их многофункциональность.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка конструкции устройства, обеспечивающего повышение точности воспроизведения условий работы подкрепленной панели силового каркаса планера ЛА, изготовленной, например, из ПКМ при комбинации различных вариантов силового воздействия без изменения металлической части конструкции самого устройства.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности получаемых экспериментальных данных, а также многофункциональность устройства, без изменения конструкции при сборке, и реализация характера деформирования натурной длинномерной панели при моделировании различных видов нагружения (сжатие + сдвиг, сжатие + сдвиг + поперечное давление; растяжение + сдвиг; растяжение + сдвиг + поперечное давление) в лабораторных условиях..
Решение поставленной задачи и получение технического результата достигаются тем, что в устройстве для испытания панелей, содержащем силовой привод с опорами для приложения активных и реактивных усилий, боковые стенки со средним участком с пониженной жесткостью, поперечные стяжки, размещенные между боковых стенок, упруго-деформируемую плиту, соединенную с боковыми стенками, закрепляемую панель с рабочим участком в центральной зоне, при этом на упруго-деформируемой плите закреплен силовозбудитель, шток которого расположен в ее средней части с возможностью приложения усилия, моделирующего поперечное давление, на панель, а по краям среднего участка с пониженной жесткостью дополнительно установлены жесткие рамки с упорами для панели, находящимися на продольной оси панели. Упоры для панели выполнены регулируемыми, силовой привод содержит две пересекающиеся балки, установленные на опорах, шток силовозбудителя выполнен со сменным наконечником. Устройство дополнительно содержит динамометр и датчик перемещения, соединенные с силовозбудителем.
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 - Устройство для испытания панелей с силовым приводом (жесткие рамки с упорами не показаны).
Фиг. 2 - Схема нагружения активными Р, реактивными R усилиями и давлением q(Q) панели из ПКМ в металлической части устройства (силовозбудитель и жесткие рамки с упорами не показаны):
а) моделирование сжатия и сдвига;
б) моделирование растяжения и сдвига;
в) моделирование внутреннего давления;
г) моделирование внешнего давления.
Фиг. 3 - Устройство в разрезе в зоне рабочего участка:
сечение А-А - I - моделирование внешнего давления;
сечение А-А - II - моделирование внутреннего давления;
сечение Б-Б - жесткие рамки с упорами.
Данное устройство может служить для создания сложного многокомпонентного нагружения одновременно усилиями сжатия (растяжения), сдвига и поперечного давления в лабораторных условиях подкрепленных панелей планера ЛА. Оно содержит силовой привод 1, состоящий из двух пересекающихся силовых балок, например, швеллерного сечения, установленных на четырех опорах (из них две с регулируемым штоком) и узлов крепления, размещенных в рабочем пространстве испытательного пресса, передающего нагрузку (показанную стрелкой на фиг. 1) на силовой привод, металлическую часть приспособления 2 для деформирования панели 3 (например, из ПКМ) активными и реактивными усилиями в определенной комбинации при различном положении панели, моделируя так же внутреннее либо внешнее давление, растяжение (сжатие) и сдвиг в рабочем участке 4 закрепляемой панели, силовозбудитель 5 с динамометром, датчиком перемещений и штоком 6 со сменным наконечником, проходящим в центральное отверстие упруго-деформируемой плиты 7. Последний создает в рабочем участке панели поперечную нагрузку (давление), а края рабочего участка, ограничивают две жесткие рамки 8 с регулируемыми (например, по высоте) упорами полусферической формы 9, опирающимися на панель по продольной центральной оси 10, а также поперечные (внутренние) стяжки 11. При этом металлическая часть приспособления 2 содержит боковые стенки со средним участком с пониженной жесткостью, поперечные стяжки 11, размещенные между боковых стенок, упруго-деформируемую плиту 7, соединенную с боковыми стенками и служит для закрепления панели с рабочим участком 4 в центральной зоне.
Для создания внешних силовых воздействий, как в конструкторе меняется ориентация устройства относительно силового привода, направление действия активных и реактивных сил и место их приложения, а также присоединение силовозбудителя, создающего поперечное усилие, имитирующее распределенное давление на рабочем участке панели, а также расположение ПКМ панели в металлической части устройства.
Для создания в рабочем участке ПКМ панели напряженно-деформированного состояния (сжатие + сдвиг) или (растяжение + сдвиг) две пересекающиеся силовые балки и опоры меняются местами, при неизменном направлении действия усилия в испытательном прессе, (фиг. 1 и фиг. 2), а третья компонента нагружения создается силовозбудителем через шток со сменным наконечником (фиг. 3).
Расположение ПКМ панели в устройстве позволяет создавать либо внешнее, либо внутреннее поперечное давление, а в комбинации с растяжением (сжатием) и сдвигом трехкомпонентное нагружение (трехосное напряженное состояние), описываемое эллипсоидом напряжений (Феодосьев В.И. Сопротивление материалов, с. 239-243.ГИФМЛ. 1963 г.). В прототипе же реализуется двухосное, плоское напряженное состояние, только сжатие со сдвигом. В процессе нагружения деформированное состояние фиксируется тензорезисторами, установленными на рабочем участке панели, как в прототипе.
Устройство является многофункциональным, как конструктор, при комбинировании расположения панели из ПКМ, характера и места приложения внешних сил без изменения базовой конструкции.
Использование описанного устройства позволяет повысить достоверность получаемых экспериментальных данных, за счет одновременного нагружения панели из ПКМ комбинацией усилий, на 15-20%, моделируя в лабораторных условиях процесс реального деформирования натурной панели силового каркаса планера ЛА. При этом воспроизводятся различные типовые варианты силового воздействия. При необходимости можно также оценивать прочность крепежа в панелях.
Необходимость проведения испытаний панелей силового каркаса из ПКМ в условиях, приближенных к эксплуатационным, регламентируется авиационными правилами и требованиями «Пирамиды» (Приложение: Общая схема…, Табл. 1) расчетно-экспериментальных исследований прочности, выполнение которых необходимо для обоснования правильности выбора материала, конструкторских решений, критериев прочности, технологических операций, валидации методик расчета и сертификации конструкции планера ЛА, при этом использование предлагаемого устройства позволяет перейти с 4-го уровня («Пирамиды») на 5-ый, комплексно моделируя сложные процессы реального деформирования силовых элементов конструкции.