Экспериментальное исследование фрагментов многостеночных композитных оболочек при термосиловом воздействии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование фрагментов многостеночных композитных оболочек при термосиловом воздействии

Таирова Людмила Павловна

Кандидат технических наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Московский государственный

технический университет имени. Н.Э. Баумана»

Фан Тхе Шон

ФГБОУ ВПО «Московский государственный

технический университет имени. Н.Э. Баумана»

Приведены результаты термосиловых испытаний многостеночных образцов, позволяющие определить характер деформирования и разрушения многостеночных конструкций, и также оценить их работоспособность в условиях нестационарного температурного и силового воздействий.

Ключевые слова: температура, нагружение на сжатие, эксперимент, работоспособность, многостеночные образцы.

Постановка задачи. Реальные несущие конструкции ракет-носителей (РН), имеющие сложную неоднородную структуру, работают в условиях пространственно неравномерных, быстро меняющихся во времени тепловых потоков и нагрузок. Причем реальное моделирование теплового и напряженного состояния таких объектов - весьма сложная задача, особенно с учетом возможных разбросов теплофизических и прочностных характеристик материалов и меняющихся погодных условий во время эксплуатации. Поэтому испытания небольших образцов, имеющих ту же структуру, что и реальные конструкции, в условиях непосредственного воздействия температуры и осевой нагрузки в сочетаниях, близких к наиболее опасным вариантам эксплуатации, могут дать очень ценную информацию о характере деформации и разрушения слоев, и о работоспособности конструкций.

Рисунок 1 - Цикл нагружения исследуемого объекта при испытании

деформирование многостеночный конструкция термосиловой

Задачей таких испытаний является имитация штатной эксплуатации реальной конструкции с целью установить, сохранит ли несущую способность образец, если общая сжимающая нагрузка, действующая на него, и температура на нагреваемой обшивке образца изменяются в соответствии с заданными зависимостями [1]. Пример такой зависимости, характерной для обтекателя РН “Протон”, приведен на рис. 1.

При проектировании несущих конструкций РН, эксплуатирующихся в условиях нестационарного нагрева, необходимо знать зависимости от температуры деформативных и прочностных характеристик материала. Определение таких характеристик можно вести тоже на образцах, являющихся фрагментами реальной конструкции, но в условиях полного прогрева образца, размещенного в термокамере испытательной машины, при нагружении на сжатие. Эта задача дополняет первую, позволяет правильно интерпретировать результаты испытаний в условиях нестационарного нагрева и создает условия для совершенствования конструкций.

Технические особенности проведения испытаний. Для экспериментального моделирования и подтверждения работоспособности многостеночной конструкции при нестационарном нагреве и для исследований в условиях полного прогрева были изготовлены специальные образцы, представляющие собой фрагменты многостеночных панелей. Эти образцы изготовлены методом инфузии из углепластика на основе волокон ЛУП-0,1 и связующего SK02TM200-3 “EPOLAM [3]. Длина образца обычно принимается равной 170…180 мм, ширина 130…145 мм при имитации штатной эксплуатации и 65…70 мм при исследовании в условиях полного прогрева, толщины и структурные параметры обшивок и стенок аналогичны штатной конструкции. На рис. 2 показан вид образца для испытаний при нестационарном нагреве. Этот образец является представительным элементом реальной конструкции.

Экспериментальная реализация показанных на рис. 1 режимов может быть выполнена с помощью нагревательного устройства, описанного в [2], и стандартной испытательной машины. Испытания в условиях полного прогрева проводятся на такой же испытательной машине внутри термокамеры.

При испытаниях на сжатие образцов следует обеспечить подкрепление нагружаемых торцов, чтобы не произошло смятия в зонах этих торцов [2, 4]. Для многостеночных образцов такое подкрепление осуществляется по штатной технологии: укладыванием с двух сторон каждой из обшивок и каждого ребра вблизи торцов стеклоткани (рис. 2). Длина зон подкрепления обычно составляет 30…40 мм.

Рисунок 2 - Типичный вид многостеночного образца для имитации пуска РН (вид со стороны нагреваемой обшивки - под белым герметиком расположены термопары - и с торца)

Для обеспечения удовлетворительной однородности деформаций в рабочем сечении отклонения от плоскости и параллельности торцов должны быть не более 0,1 мм [2]. Кроме того, для увеличения степени однородности поля деформаций в рабочей части образца для нагружения нужно использовать центрирующую платформу с шариком (рис. 3б), небольшие смещения которой позволяют добиться удовлетворительной однородности поля деформаций по результатам предварительных нагружений без нагрева до небольшой нагрузки (20% разрушающей нагрузки) [2]. Контроль однородности поля деформаций образца обычно ведется при предварительных нагружениях с помощью продольных тензодатчиков и съемного деформометра испытательной машины при комнатной температуре. При одностороннем нагреве обычно приклеивается 2-3 датчика на ненагреваемой обшивке и один на нагреваемой обшивке. При полном прогреве тензодатчики приклеивались вблизи каждой кромки образца в центральном поперечном сечении, а деформометр устанавливался в центре одной из обшивок. При повышенной температуре продольные деформации измерялись только с помощью деформометра машины.

Поперечные ребра, расположенные между обшивками, обеспечивают большую жесткость на изгиб образца, чем сотовый заполнитель, поэтому при сжатии такого образца не требуется специального приспособления, обеспечивающего параллельность смещения торцов [2], даже при одностороннем нагреве.

При испытаниях в условиях полного прогрева обнаружилось, что свободные вертикальные кромки образца теряют устойчивость, приводя к преждевременному разрушению образца (рис. 3а). После этого дальнейшие испытания проводились с использованием подкрепляющих кромки приспособлений, защемляющих с небольшим усилием кромки между двумя фторопластовыми пластинами (рис. 3б, 3в).

Испытания многостеночных образцов в условиях нестационарного термосилового воздействия проводились на специальном стенде МГТУ им. Н.Э. Баумана, созданном для таких испытаний, имитирующих полет ракеты-носителя в атмосфере [2]. Силовая нагрузка задавалась при помощи серво-гидравлической машины Instron_8801, которая позволяет реализовать изменение нагрузки в соответствии с заданной программой и управляется с помощью ПЭВМ. Односторонний нагрев образца осуществлялся с помощью нагревательного устройства с инфракрасными лампами накаливания и отражающими экранами [2]. Контроль температурного и напряженно-деформированного состояния образцов осуществлялся с помощью термопар, деформометра и тензодатчиков. Методика испытаний и используемое оборудование подробно описаны в [2].

Рисунок 3 - Установка образцов на испытательном стенде: а) - без приспособления; б) - с приспособлением; в) - детали приспособления: 1 -вкладыш; 2, 4 - прокладки из фторопласта; 3 - стальные пластины; 5 - струбцины

Итак, проведены два вида испытаний: исследования характера деформирования и разрушения многостеночных образцов в условиях одноосного сжатия при полном прогреве до заданной температуры и подтверждение работоспособности многостеночных образцов в условиях воздействия одностороннего нагрева и сжимающей нагрузки, имитирующих старт и полет ракеты-носителя.

Основные результаты испытаний. При полном прогреве образцы испытывались при температурах 100С, 140С, 170С и 195С. Сначала проводились нагружения при комнатной температуре для оценки работоспособности измерителей деформаций и для проверки однородности поля деформаций в рабочем сечении образца, затем - нагружения после полного прогрева при заданной температуре.

На рисунке 4 представлены типичные зависимости «средние напряжения - продольные деформации» по зарегистрированным деформометром данным при последнем перед нагревом нагружении и при повышенной температуре. На рис. 5а приведены зависимости относительного модули упругости (отношения значений модуля упругости при повышенной температуре к модулю упругости при комнатной температуре) по показаниям деформометра от температуры. Значение модуля упругости при комнатной температуре для каждого образца принято равным измеренному по показаниям деформометра во время последнего нагружения перед нагревом. Эти данные подтверждают отсутствие влияния температуры на модуль упругости на начальном участке деформирования. Здесь следует заметить, что напряжения конца начального участка деформирования, по которому определялся модуль упругости при повышенной температуре, сильно зависят от температуры из-за резкого уменьшения прочности образцов с температурой.

На рис. 5б показана зависимость относительной прочности от температуры испытания. Видно, что прочность при повышении температуры сильно уменьшается. Снижение прочности на сжатие вдоль волокон углепластиков при увеличении температуры происходит из-за снижения критической нагрузки для отдельных волокон, находящихся в связующем, как в поддерживающей волокно среде. С температурой уменьшается жесткость связующего, поэтому уменьшается и нагрузка, при которой начинается потеря устойчивости отдельных волокон, приводящая к разрушению материала.

Рисунок 4 - Типичные диаграммы деформирования во время нагружений при комнатной и повышенной температуре: значки - экспериментальные значения, линия - средние значения

Чтобы оценить характер изменения общей жесткости образцов при нагружении до разрушения при повышенной температуре, построены зависимости перемещения активного захвата испытательной машины от величины нагрузки. На рисунке 7 приведены эти зависимости для одной из температур. Здесь хорошо видно, что общая жесткость образцов почти не меняется вплоть до разрушения. Это значит, что наиболее вероятной причиной исчерпания несущей способности образцов является достижение предела прочности материала, а не потеря устойчивости отдельных элементов, которой соответствует ступенчатое уменьшение жесткости.

а) б)

Рисунок 5 - Зависимости относительных значений модуля упругости (а) и прочности (б) от температуры: точки - экспериментальные значения, линии средние значения

Рисунок 6 - Зависимость перемещений активного захвата от нагрузки для образцов, испытанных до разрушения при температуре 170С

Сравнение вида зон разрушения при различной температуре позволяет сделать вывод: чем выше температура, тем менее ярко выражена зона разрушения. Это связано, по-видимому, с тем, что при уменьшении разрушающей нагрузки уменьшается энергия, накапливаемая образцом к моменту разрушения и реализуемая в расслоении и трещинообразовании.

Испытания по оценке работоспособности материала в условиях, близких к условиям реальной эксплуатации, проведены на трех образцах. На рис. 7 приведены экспериментальные и заданные зависимости температур и нагрузки от времени для одного из испытаний. Здесь видно, что температура в центре нагреваемой обшивки почти на всем интервале нагружения превышала заданную, а температура на краях нагреваемой обшивки была близка к заданной. Образец выдержал это испытание без визуально наблюдаемых изменений. Для дополнительной проверки запаса прочности материала образца была проведена еще одна имитация пуска, для которой температура в центре нагреваемой обшивки еще больше превышала заданную на всем интервале нагружения и даже температура на краях нагреваемой обшивки была выше заданной в интервале наибольших нагрузок. Образец тоже выдержал это испытание без визуально наблюдаемых изменений. Аналогичная картина наблюдалась и для других испытанных образцов. Таким образом, доказано, что материал исследованной структуры может быть использован для изготовления несущих конструкций РН типа «Протон»

Рисунок 7 - Результаты имитации пуска РН для одного из испытаний

Выводы

Приведенные результаты экспериментальных исследований позволяют сформулировать следующие выводы.

1. Проведены испытания модельных образцов. Установлено, что характеристики упругости многостеночных образцов мало зависят от температуры в исследованном диапазоне от комнатной до 195С, но характеристики прочности снижаются с увеличением температуры весьма значительно, что характерно для углепластиковых конструкций при нагружении на сжатие.

2. По результатам испытаний зафиксировано, что все образцы выдержали имитацию пуска РН без разрушения. Таким образом, подтверждена несущая способность многостеночной структуры и принципиальная пригодность ее для использования в крупногабаритных ракетно-космических конструкциях обтекателей и отсеков ракет-носителей и разгонных блоков.

3. Экспериментальные данные упругих и прочностных характеристик образцов могут являться исходными данными для расчетного анализа многостеночных оболочек.

Список использованных источников

1. Смердов А.А., Таирова Л.П., Бахтин А.Г., Абрамова Е.А. Проведение виртуальных тепло-прочностных испытаний при помощи конечно-элементного анализа //Научно-технические разработки КБ “Салют”. / Под ред. Ю.О. Бахвалова.- М.: Машиностроение, 2010. - С. 96-103.

2. Смердов А.А., Таирова Л.П., Бахтин А.Г., Полиновский В.П. Экспериментальное исследование температурных и силовых воздействий на несущих конструкции ракет-носителей в условиях соответствующих штатной эксплуатации //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.- 2012.- Сер. Машиностроение, Специальный выпуск.- С. 116_123.

3. Смердов А.А., Думанский А.М., Таирова Л.П. Комплексные экспериментальные исследования деформативных и прочностных свойств композитов для отсеков и обтекателей ракет // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.- 2012.- Сер. Машиностроение. Специальный выпуск: Крупногабаритные трансформируемые космические конструкции и материалы для перспективных ракетно-космических систем.- С. 124-136.

4. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. - М.: Химия, 1981. - 272 с.

Размещено на Allbest.ru