Способ определения изгибной жесткости объектов из композиционных материалов

 

Изобретение относится к испытательной технике и имеет целью повышение точности способа определения изгибной жесткости объектов, изготовленных из композиционных материалов. Способ заключается в том, что предварительно серию одинаковых исследуемых объектов разрезают в каждом расчетном сечении на образцы, нагружают их растягивающей силой, определяют модуль упругости образцов и находят зависимость распределения среднестатистических значений модуля по длине объекта, которые используют при расчете жесткости исследуемого объекта. В последующем объекты подвергают идентификации по изгибной жесткости посредством того, что каждый исследуемый объект консольно закрепляют, нагружают статическим усилием в области упругих деформаций, измеряют максимальные деформации в каждом расчетном сечении и вычисляют максимальные деформации в тех же сечениях. Если разность измеренных и вычисленных деформаций превышает предварительно оцененную предельную погрешность Δε выбранного способа измерения деформаций, определяют фактическую изгибную жесткость в каждом сечении исследуемой конструкции посредством умножения расчетной жесткости на отношение вычисленной деформации к измеренной. 4 ил.

Изобретение относится к измерению деформации изделий из композиционных материалов в процессе их испытаний.

Известен способ и устройство для измерения изгибной жесткости материалов, предусматривающие установку эталонного элемента с известной упругостью и испытываемого образца на опоры жесткой рамки и последующее их нагружение для деформирования без нарушения линейной зависимости между прикладываемой нагрузкой и смещением динамической системы. При этом измеряют величину относительного смещения эталонного элемента, которая используется в качестве характеристики упругости испытываемого материала [1].

Известный способ в случае его применения для определения изгибной жесткости композиционной лопасти воздушного винта не дает достаточной точности, поскольку не позволяет свести воедино результаты лабораторных исследований образцов материала лопастей с результатами эксплуатационных и прочностных стендовых испытаний лопастей при идентификации по изгибной жесткости разных серий одинаковых объектов.

Известен также способ определения механических свойств материала, заключающийся в том, что образец в виде консольной балки прямоугольного сечения упруго нагружают изгибом, регистрируют модуль упругости материала, после упругого нагружения дважды пластически нагружают образец изгибом до различных остаточных прогибов, а о пластичности материала судят по остаточным прогибам и модулю упругости материала [2].

Недостатком данного способа в случае его использования для решения настоящей задачи является то, что его нельзя применить для балок из композиционного материала с переменными жесткостными характеристиками по длине, так как прогиб является интегральной характеристикой всего изгибаемого участка балки, что не позволяет судить о жесткости каждого конкретного сечения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения жесткостных характеристик композиционного материала, заключающийся в том, что серию одинаковых исследуемых объектов разрезают в каждом расчетном сечении на образцы, нагружают их и определяют зависимость распределения среднестатистических значений модуля упругости по длине каждого объекта, которые используют при расчете жесткости испытуемого объекта [3].

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет при последующих исследованиях определять жесткостные характеристики объектов исследования без их разрезания с целью идентификации по изгибной жесткости разных групп объектов.

Целью изобретения является повышение точности при идентификации по изгибной жесткости разных серий одинаковых объектов.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения изгибной жесткости объектов из композиционных материалов, заключающемся в том, что предварительно серию одинаковых исследуемых объектов разрезают в каждом расчетном сечении на образцы, нагружают их и определяют зависимость распределения среднестатистических значений модуля упругости по длине каждого объекта, которые используют при расчете жесткости, каждый исследуемый объект закрепляют консольно и при нагружении прикладывают к его свободному концу статически сосредоточенное усилие фиксированной величины, при измерениях максимальных деформаций в расчетных сечениях упруго деформируемого объекта используют тензорезистивный способ измерения, далее вычисляют максимальные деформации в тех же расчетных сечениях объекта по зависимости распределения среднестатистических значений модуля упругости с учетом изгибающего момента и расчетного распределения моментов сопротивления изгибу по длине каждого объекта, определяют разность измеренных и вычисленных деформаций, которую учитывают при оценке фактической изгибной жесткости в виде поправочного коэффициента, равного отношению вычисленной деформации к измеренной, на который умножают расчетную жесткость, если разность измеренных и вычисленных деформаций превышает предварительно установленную предельную погрешность Δε использованного способа измерения деформаций, и принимают этот коэффициент равным единице, если эта разность не превышает величину погрешности Δε. На фиг. 1 показана схема нагружения испытуемого объекта статическим усилием; на фиг. 2 - сечение лопасти лонжеронной конструкции; на фиг. 3 - зависимость предельной относительной погрешности данного способа измерения от уровня измеряемых деформаций; на фиг. 4 - распределение модулей упругости по длине композиционной лопасти.

Данный способ осуществляют с помощью испытательного устройства, в котором испытуемую лопасть 1 консольно закрепляют в стакане 2, нагружают статически сосредоточенным усилием фиксированной величины в виде груза 3 для упругого деформирования лопасти. В расчетных сечениях I - IX испытуемого объекта, например, лопасти воздушного винта, наклеены тензорезисторы 4 для измерения величин относительных деформаций. Тензорезисторы 4 располагают на линии максимальных толщин сечений пера лопасти (координата Y_max - от нейтральной плоскости).

Для повышения точности определения изгибной жесткости композиционной лопасти, являющейся балкой с переменной жесткостью по длине, предварительно серию лопастей данного типа в каждом расчетном сечении I - IX разрезают на лабораторные образцы, нагружают их растягивающей силой и известным образом определяют модуль упругости образцов, как тангенс угла наклона линейного участка упругости на диаграмме растяжения. Серию лопастей, подвергаемых разрезанию на лабораторные образцы, устанавливают в количестве не менее 10 - 15 лопастей для получения заданной точности определения средних статистических значений модуля упругости. По полученным средним статистическим значениям модулей строят зависимость распределения модуля упругости по длине лопасти (фиг. 4), где кривая A - зависимость для стеклопластиковой обшивки 5 лопасти, а кривая B - зависимость для углепластикового лонжерона 6.

При осуществлении идентификации натурных лопастей по изгибной жесткости при их упругом деформировании грузом 3 измеренные деформации сравнивают с деформациями, значения которых вычисляют для сечения по расчетной зависимости здесь M_изг. - изгибающий момент от нагрузки P; Y_max - расстояние от места наклейки тензорезистора до нейтральной плоскости (чертежный размер); J_xном. - момент инерции сечения, подсчитанный по номинальным размерам; - среднестатистическое значение модуля упругости.

Разность измеренных и вычисленных деформаций сравнивают с предварительно оцененной предельной относительной погрешностью Δε данного способа измерений деформаций, которая обусловлена нестабильностью характеристик тензорезисторов, процесса их наклейки, наличием разных исполнителей, наклеивающих тензорезисторы, а также осуществляющих их подпайку к измерительному прибору.

Если отношение разности измеренных и вычисленных деформаций к измеренной деформации превышает предварительно оцененную предельную относительную погрешность то фактическую изгибную жесткость E·J_x в каждом расчетном сечении натурной лопасти определяют посредством корректирования нормальной жесткости на величину отношения вычисленной деформации к измеренной В противоположном случае изгибную жесткость лопасти принимают равной номинальной жесткости.

Показанные на фиг. 4 пунктиром кривые C и D эквивалентных модулей упругости лопасти E_{экв.лоп.}=E·J_x/J_xном, полученные с учетом отличий геометрии идентифицируемой лопасти от номинальных размеров, наглядно показывают, что в отдельных сечениях, как например, на расстоянии относительного радиуса значение E_{экв.лоп.} на кривых C и D существенно отличаются от среднестатистического значения модуля на кривых A и B.

Данный способ, использованный, например, при испытаниях лопасти N 8802-110 показал, что в сечении измерен уровень относительной деформации ε_изм = 42·10^-5. Для этого же сечения вычисленная относительная деформация ε_выч = = 51·10^-5, исходя из чего разность ε_выч - ε_изм = 9·10^-5, что составляет ~ 18% от уровня измеренной деформации и заметным образом отличается от предельной относительной погрешности Δε = 8% (фиг. 3) для данного уровня измерений деформации. Следовательно, модуль упругости конструкции лопасти в вышеуказанном сечении

Данный способ определения изгибной жесткости применим как для простых= (однослойных), так и для составных (многослойных) конструкций с различными углами армирования композиционного материала, какими являются лонжеронные композиционные лопасти воздушных винтов.

При этом измеренные на наружном слое 5 (обшивке) деформации уточняют для каждого внутреннего слоя 6 (лонжерона) с отличным от наружного слоя углом армирования в соответствии с известной гипотезой плоских сечений, а геометрическую характеристику сечения (J_x - момент инерции) приводят к одному материалу (одному модулю упругости).

Таким образом, сущность данного способа заключается в использовании банка статистических данных, полученных на образцах, вырезанных из серии объектов исследования. Прямое использование данных, полученных на образцах, для последующей оценки жесткостных характеристик исследуемых объектов имеет следующие недостатки:
перенесение результатов испытаний "жестких" образов на определение характеристик "мягких" (с пониженной упругостью) объектов исследования будет сильно занижать эксплуатационную оценку нагруженности этих объектов, что экономически невыгодно;
перенесение результатов испытаний "мягких" образцов на определение характеристик "жестких" (с повышенной упругостью) объектов исследования будет завышать эксплуатационную долговечность этих объектов, что может привести к разрушению конструкции и созданию аварийной ситуации;
эксплуатационную нагруженность натурных объектов определяют тензометрированием их в условиях применения, а усталостные (или другие прочностные) характеристики оценивают по другой группе объектов того же типа при стендовых лабораторных испытаниях до разрушения, при этом напряженное состояние в группах вышеуказанных объектов оценивают, используя модуль упругости, полученный на образцах, технологически отличных на натурных объектов, которые из-за технологического разброса и отклонения геометрии сечений от номинальных (чертежных) размеров могут сильно отличаться между собой по изгибной жесткости.

В данном способе иначе используется банк статистических данных, полученных на образцах, что позволяет исследовать объекты без разрезания для их идентификации по изгибной жесткости. Полученные на образцах среднестатистические значения модулей упругости используют для вычисления деформаций в расчетных сечениях натурного исследуемого объекта с тем, чтобы сравнить их с замеренными деформациями в тех же сечениях. Точность вычисления деформаций, в расчетную формулу которых входят также значения моментов сопротивления изгибу (моментов инерции), достаточно высока и существенно превышает точность известного способа измерения деформаций.

Точная оценка изгибной жесткости конструкции лопастей позволяет идентифицировать их по жесткостным характеристикам и получить достоверную оценку эксплуатационной надежности и долговечности лопастей и воздушного винта в целом.

В области серийного производства использование данного способа применительно к каждой выпускаемой лопасти, жесткостные характеристики которой формируются непосредственно в процессе ее изготовления, позволяет идентифицировать все лопасти по изгибной жесткости. Это дает возможность введения контроля качества выпускаемых лопастей по требуемому уровню их упругости в дальнейшем применить селективную сборку комплектов годных лопастей для воздушных винтов с целью обеспечения их аэродинамической балансировки, что в конечном итоге приведет к снижению динамической нагруженности силовых деталей втулки винта и узла его крепления к валу двигателя. Использование данного способа приведет к обеспечению высокой эксплуатационной надежности воздушных винтов с композиционными лопастями уже на стадии их изготовления.

Формула изобретения

Способ определения изгибной жесткости объектов из композиционных материалов, заключающийся в том, что предварительно серию одинаковых исследуемых объектов разрезают в каждом расчетном сечении на образцы, нагружают их и определяют зависимость распределения среднестатистических значений модуля упругости по длине каждого объекта, которые используют при расчете жесткости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при идентификации по изгибной жесткости разных серий одинаковых объектов, преимущественно лопастей воздушных винтов, без их разрезания на образцы, каждый исследуемый объект закрепляют консольно и при нагружении прикладывают к его свободному концу статически сосредоточенное усилие фиксированной величины, при измерениях максимальных деформаций в расчетных сечениях упруго деформируемого объекта используют тензорезистивный способ измерения, далее вычисляют максимальные деформации в тех же расчетных сечениях объекта по зависимости распределения среднестатистических значений модуля упругости с учетом изгибающего момента и расчетного распределения моментов сопротивления изгибу по длине каждого объекта, определяют разность измеренных и вычисленных деформаций, которую учитывают при оценке фактической изгибной жесткости в виде поправочного коэффициента, равного отношению вычисленной деформации к измеренной, на который умножают расчетную жесткость, если разность измеренных и вычисленных деформаций превышает предварительно установленную предельную погрешность Δε использованного способа измерения деформаций, и принимают этот коэффициент равным единице, если эта разность не превышает величину погрешности Δε.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4