СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ ГОЛОВНОГО ОБТЕКАТЕЛЯ Российский патент 2007 года по МПК G01M5/00 G01M19/00 

Изобретение относится к стендам для испытаний на прочность конструкций, преимущественно головных обтекателей (ГО) и других отсеков летательных аппаратов, при действии статических нагрузок и может быть использовано в ракетно-космической и авиационной технике при проведении наземной отработки прочности конструкций.

Анализ случаев нагружения ГО, защищающих космические аппараты (КА) при полете ракет-носителей (РН) в плотных слоях атмосферы, показывает, что конструкция ГО нагружается комплексом одновременно действующих нагрузок в виде осевых сил, поперечных сил, изгибающих моментов и распределенных по поверхности ГО давлений: внешних и внутренних. При наземной отработке прочности конструкции ГО применяется испытательное стендовое оборудование, позволяющее нагрузить испытываемую конструкцию комбинацией расчетных нагрузок, действующих на конструкцию при штатной эксплуатации.

Известен стенд для статических испытаний конструкций летательных аппаратов, описанный в книге Ю.Г.Одинокова «Расчет самолета на прочность», М., «Машиностроение», 1973 г., стр.377-379, рис.11.1-11.3. При проведении испытаний на статическую прочность конструкций с помощью данного стенда распределенная по поверхности аэродинамическая нагрузка моделируется механическим методом с помощью наклеенных лямок, связанных через тросы с рычажной системой и силонагружающими устройствами. Недостатком метода и устройства приложения нагрузок с помощью лямок является невозможность обеспечения точной имитации давлений из-за дискретности расположения лямок на поверхности испытываемой конструкции. При имитации неравномерного давления, действующего на конструкции, усложняется испытательная оснастка из-за неравномерной наклейки лямок или неравноплечих балок рычажной системы (при невысокой точности имитации распределенных нагрузок).

В результате анализа патентной и научно-технической литературы в качестве прототипа заявленного устройства принят стенд для статических испытаний «сухих» отсеков РН, описание и схема которого представлены в книге «Основы конструирования ракет-носителей космических аппаратов» под редакцией В.П.Мишина, В.К.Карраска, М., «Машиностроение», 1991 г., стр.284, рис.6.38.

Известный стенд состоит из основания (силового пола), колонн (силовых стен), на которых закреплены силовые гидроцилиндры (силовозбудители), взаимодействующие с кольцами (бандажами), плитами и кронштейнами, установленными на внешнюю поверхность испытываемого отсека. С помощью системы силовых гидроцилинлров отсек нагружается осевыми силами, поперечными силами и изгибающими моментами. Для нагружения отсека избыточным давлением, распределенным по его поверхности, служит устройство нагружения, выполненное в виде силового воздушного мешка, связанного с системой наддува и размещенного между ограничительной цилиндрической стенкой (обечайкой), закрепленной на основании (силовом полу), и поверхностью отсека. Надувные (эластичные) мешки могут размещаться как снаружи, так и внутри отсека для его нагружения соответственно наружным (внешним) и внутренним давлениями. При выполнении на ограничительных обечайках (стенках) кольцевых и продольных ребер со стороны отсека с образованием ячеек и размещением в них секций надувных (эластичных) мешков, отсек нагружается внешним или внутренним давлением, переменным как по длине отсека, так и по его контуру (в окружном направлении).

Недостатком данного стенда для испытаний на прочность является влияние на жесткость испытываемой конструкции устанавливаемой и закрепляемой на нее испытательной оснастки (колец, бандажей, плит, кронштейнов). В связи с этим возникает ограничение (стеснение) свободного деформирования конструкции под действием приложенных (испытательных) нагрузок в процессе проведения испытаний. Стеснение свободного деформирования объекта испытаний приводит к недостоверным результатам, к искажению напряженно-деформированного состояния и неточному определению несущей способности элементов конструкции.

Недостатком стенда является большой объем и номенклатура испытательной оснастки: маслонасосная станция и силонагружающие цепи для работы силовых гидроцилиндров, а также устройства создания и подачи избыточного давления (пневмо- или гидро-) в силовые (эластичные) мешки для нагружения оболочек ГО распределенными поверхностными нагрузками.

Для крепления гидроцилиндров (силовозбудителей) необходимы силовой пол (основание) для нагружения ГО осевыми сжимающими силами и силовые стены (колонны) для нагружения ГО поперечными нагрузками. Это приводит к усложнению конструкции стенда, к увеличению его металлоемкости и массы.

Недостатком стенда является то, что при необходимости нагружения испытываемой конструкции в разных направлениях (плоскостях) требуется либо перемонтаж (переналадка) силонагружающей оснастки с перестановкой силовых колонн, либо поворот испытываемой конструкции в соответствующее новое положение для приложения нагрузок в заданном (поперечном) направлении.

Сложность, а в некоторых случаях невозможность установки колец (бандажей), кронштейнов на шпангоуты с наружной (внешней) стороны ГО из-за наличия внешней ограничительной обечайки с нагружающими силовыми мешками, размещенными между ней и внешней поверхностью ГО (внешняя ограничительная обечайка просто закрывает доступ для установки колец и кронштейнов на ГО) также является недостатком известного испытательного стенда.

Кроме того, при испытаниях ГО сложной формы (со сложным контуром), например при наличии в конструкции ГО выступающих за его основной мидель сечения («калибр») специальных силовых крышек-гаргротов, для нагружения ГО поперечными силами необходимы бандажи (или кольца) аналогичной сложной формы, повторяющей контур ГО.

Целью (задачей) предлагаемого устройства стенда для испытаний конструкций на прочность является:

- приближение условий нагружения при проведении испытаний к реальным условиям нагружения путем обеспечения свободного деформирования конструкции ГО под воздействием комплекса нагрузок,

- упрощение конструкции стенда и уменьшение его металлоемкости (массы) за счет уменьшения объемов испытательной оснастки, сокращение номенклатуры нагружающих систем и устройств.

Для достижения поставленной цели (задачи) предлагаемый стенд для испытаний на прочность снабжен специальными полостями, выполненными между наружной ограничительной обечайкой и верхней конической частью ГО и между наружной ограничительной обечайкой и шпангоутами ГО. Полость, выполненная между наружной ограничительной обечайкой и верхней конической частью ГО имеет форму шарового сегмента (сферическую чашеобразную форму) и служит для нагружения конструкции ГО осевыми силами. Полости, выполненные между наружной ограничительной обечайкой и шпангоутами ГО, имеют дугообразную (ложементную) форму с центральным углом (углом охвата) по дуге контура шпангоута менее 180° и предназначены для нагружения конструкции ГО поперечными силами и изгибающими моментами. В полостях размещены герметичные мешки, выполненные из эластичного материала, например из специальной прорезиненной ткани, связанные с системой создания избыточного давления путем подачи в них воздуха или воды. Форма герметичных эластичных мешков соответствует форме полостей, в которых они размещены.

При взаимодействии силовых эластичных мешков со шпангоутами ГО, а также с верхней конической частью ГО отсутствует стеснение деформирования испытываемой конструкции и влияние испытательной оснастки на ее жесткостные характеристики, т.к. жесткость эластичного мешка с воздухом (или водой), через который передается нагрузка на конструкцию, значительно (на 4-5 порядков) меньше жесткости и самой испытываемой конструкции и элементов оснастки, применяемой в стенде-прототипе, в устройстве которого кольца и кронштейны жестко закреплены на испытываемой конструкции. Следует отметить, что для исключения контакта испытываемой конструкции с оснасткой (тем самым обеспечения свободного деформирования испытываемой конструкции) под действием испытательных нагрузок между ребрами ограничительных обечаек и поверхностью конструкции выполняются гарантированные зазоры, величина которых определяется расчетным путем.

Упрощение конструкции стенда и уменьшение его металлоемкости происходит за счет уменьшения объема оснастки (отпадает необходимость изготовления и установки на ГО силонагружающих цепей и силовых колонн для приложения осевых и поперечных нагрузок). Все боковые нагрузки, приложенные к шпангоутам ГО, передаются («замыкаются») через ограничительные обечайки на основание (силовой пол). Для функционирования устройств нагружения (силовых мешков) в предложенном стенде нужно одно рабочее вещество (воздух или вода), с помощью которого конструкция ГО нагружается как распределенными по поверхности давлениями, так и осевыми, поперечными силами и изгибающими моментами. Для работы же нагружающих устройств (силовых гидроцилиндров) в стенде-прототипе нужна еще и маслонасосная станция с системой подачи в них масла.

В предложенном стенде появляется возможность приложения поперечных нагрузок через шпангоуты ГО и в тех случаях, когда доступ к ним закрыт внешней ограничительной обечайкой, т.к. полости ложементной формы с размещенным в них силовыми мешками (взаимодействующими со шпангоутами) выполнены на той же внешней ограничительной обечайке.

При проведении испытаний упрощается нагружение ГО в различных направлениях (плоскостях), т.к. отпадает необходимость перемонтажа испытательной оснастки или поворот испытательной сборки. Для нагружения испытываемой конструкции поперечными силами в различных направлениях с помощью предложенного стенда достаточно выполнить полости ложементной (дугообразной) формы в двух взаимно перпендикулярных направлениях (под углом 90°) и создать в них избыточные давления соответствующей величины.

Таким образом, предлагаемое устройство стенда для испытаний на прочность позволяет одновременно нагрузить испытываемую конструкцию комбинацией внешних нагрузок, а именно внешним и внутренним давлениями и осевыми, поперечными силами и изгибающими моментами с использованием одного метода приложения испытательных нагрузок (пневматического или гидравлического).

На фигуре 1 изображена общая схема стенда (в разрезе) для испытаний конструкции ГО сложной формы на прочность комбинацией статических нагрузок.

На фигуре 2 изображены сечения стенда А-А, Б-Б, В-В, Г-Г на фигуре 1.

Стенд для испытаний конструкций на прочность статическими нагрузками состоит из основания 1, на котором установлены и закреплены ограничительные обечайки: одна обечайка 2 закреплена снаружи, другая обечайка 3 закреплена внутри испытываемого ГО 4, ГО 4 состоит из конической части 5 и цилиндрической части 6, ГО 4 имеет крышки-гаргроты 7, выступающие за основное сечение конструкции как на конической части 5, так и на цилиндрической части 6. На обеих частях ГО 4 имеются кольцевые силовые элементы - шпангоуты 8, повторяющие контур ГО. На ограничительных обечайках 2 и 3 со стороны ГО выполнены кольцевые 9 и продольные ребра 10, которые образуют полости 11. В полостях 11 размещены секции эластичных герметичных силовых мешков 12, взаимодействующих с поверхностью (внешней или внутренней) ГО 4. В пределах каждой полости 11 размещен один силовой мешок 12, в котором создается определенное избыточное давление. Система силовых эластичных мешков 12 (взаимодействующих с оболочками ГО) является нагружающим устройством для конструкции ГО внешним или внутренним давлениями, распределенными по поверхности ГО (как и в стенде-прототипе).

Следует отметить, что распределение давлений по мешкам 12 в полостях 11 частично нагружает конструкцию ГО 4 и поперечными нагрузками (за счет создания различных давлений в мешках 12, размещенных по контуру ГО), и осевыми силами (за счет нагружения внешним давлением конических участков ГО). Но данные поверхностные нагрузки, распределенные по оболочкам конструкции и имитирующие только аэродинамические воздействия, не позволяют нагрузить конструкцию осевыми и поперечными нагрузками (а также изгибающими моментами), определяемыми, например, тягой двигателя, инерционными нагрузками с учетом перегрузок и т.д.

Для нагружения ГО 4 осевыми сжимающими силами между его верхней конической частью 5 и внешней ограничительной обечайкой 2 выполнена специальная полость 13 сферической формы (в форме шарового сегмента), в которой размещен аналогичной формы эластичный силовой мешок 14. Создание избыточного давления в силовом мешке 14 сферической полости 13 позволяет догрузить конструкцию ГО 4 постоянной по длине ГО 4 осевой сжимающей силой (в дополнение к осевым силам за счет наружного давления на конических участках ГО).

Для нагружения ГО 4 поперечными силами и изгибающими моментами между внешней ограничительной обечайкой 2 и поверхностью ГО напротив его шпангоутов 8 выполнены полости 15 дугообразной (ложементной) формы с углом охвата по дуге контура менее 180°, в которых размещены эластичные силовые мешки 16, контактирующие с поверхностью ГО 4 на дугообразных участках его шпангоутов 8. Размещение полостей 15 с эластичными силовыми мешками 16 напротив разных (по высоте ГО) шпангоутов 8 и создание в мешках 16 соответствующего избыточного давления позволяет реализовать нагружение ГО с имитацией эпюр перерезывающих сил ступенчатого характера (постоянной величины, скачкообразно меняющихся от шпангоута к шпангоуту) и линейных эпюр изгибающих моментов по высоте конструкции ГО 4.

Величина избыточного давления р в мешке 14 сферической полости 13, необходимого для догружения ГО осевой силой N, определяется соотношением

где N - догружающая ГО осевая сила, Н;

F и R - площадь и радиус основания конуса верхней части ГО, на которую действует давление, м² и м.

Для изгиба конструкции ГО относительно какой-либо его поперечной оси достаточно к шпангоутам приложить распределенную по их контурам нагрузку на длине дуги, соответствующей центральному углу (углу охвата по дуге) менее 180°. Поэтому ложементные полости 15 (в которых размещены взаимодействующие со шпангоутами 8 силовые мешки 16) выполнены криволинейными по дуге контура шпангоутов с центральным углом менее 180° и ограничены продольными ребрами 17. Выполнение длин полостей 15 по дуге контура с центральным углом более 180° приведет к увеличению создаваемого в мешках 16 (размещенных в полостях 15) избыточного давления для воспроизведения заданных поперечных нагрузок.

Величина избыточного давления р в мешках 16 дугообразных (ложементных) полостей 15, необходимого для нагружения ГО поперечной силой Q, определяется соотношением

где Q - поперечная сила, приложенная к шпангоуту, Н;

F=а·t - площадь действия давления, м²;

а - ширина полки шпангоута, м;

t=2R sin (ϕ/2) - длина хорды с центральным углом ϕ, м;

R - радиус шпангоута, м;

ϕ - центральный угол, град.

Так, для создания поперечной нагрузки определенной величины избыточное давление в мешках 16 полостей 15 будет минимальным при длине полости 15 по дуге с центральным углом ϕ=180°, рассчитываемым по формуле

При необходимости нагружения конструкции поперечными нагрузками в разных плоскостях, например, для ГО сложной формы, имеющего разную жесткость и различный характер нагружения по плоскостям, выполнены четыре дугообразные полости 15 (см. сечения А-А, В-В на фигуре 2), размещенные по контуру ГО 4 (под 90° между собой) напротив его шпангоутов 8. Полости 15 разделены между собой продольными ребрами 17 и в них размещены силовые эластичные мешки 16, взаимодействующие со шпангоутами 8. Создание различных избыточных давлений (различного наддува при пневмоиспытаниях) в двух силовых мешках 16 смежных полостей 15 нагружает конструкцию ГО поперечными нагрузками и изгибающими моментами в определенной плоскости. Создание различных избыточных давлений (различного наддува при пневмоиспытаниях) в двух диаметрально противоположных силовых мешках 16, взаимодействующих с разными шпангоутами 8, позволяет разгружать (при необходимости) некоторые сечения по высоте ГО при имитации эпюр действующих перерезывающих сил изгибающих моментов. Сочетание избыточных давлений разной величины в каждом из мешков 16 (взаимодействующих с определенными шпангоутами 8 ГО), размещенных в четырех дугообразных полостях 15 (см. сечения А-А, В-В на фигуре 2), разделенных продольными ребрами 17, позволяет воспроизводить испытательные поперечные нагрузки по корпусу конструкции различные как по величине, так и по направлению действия. На фигуре 1 показаны только те шпангоуты 8, к которым приложены поперечные нагрузки (с которыми взаимодействуют силовые мешки 16 полостей 15). По сечениям А-А, В-В на фигуре 2 давление наддува показано в одном (левом, см. фигуру 2) из четырех силовых мешков 16.

Для исключения повреждения эластичных мешков зазоры между испытываемой конструкцией ГО и ребрами 9 и 10 ограничительных обечаек 2 и 3, а также выступающие стрингеры и шпангоуты 8 внутреннего силового набора конструкции, с которыми контактируют мешки для создания внутреннего давления (т.е. мешки между ГО 4 и внутренней ограничительной обечайкой 3) проложены и обклеены мягким материалом, например войлоком, поролоном.

Нагружение испытываемой конструкции ГО с помощью предложенного стенда осуществляется следующим образом.

Все нагружающие силовые мешки 12, 14, 16, размещенные в соответствующих полостях 11, 13, 16 подключаются через магистрали (на фигурах условно не показаны) к системе подачи, распределения и редуцирования давлений, например, при пневмоиспытаниях - к системе наддува воздухом (на фигурах условно не показана). При одновременной подаче заданных в соответствии с программой статических испытаний давлений во все силовые мешки 12, 14, 16 конструкция ГО 4 нагружается полной комбинацией статических нагрузок. При создании избыточного давления определенной величины в силовых мешках 12 (нагружающих оболочки ГО 4) в соответствии с эпюрами распределения давлений (внешних и внутренних) по высоте и по контуру ГО 4 конструкция нагружается поверхностными нагрузками. При создании избыточного давления определенной величины в силовом мешке 14 (взаимодействующего с верхней конической частью 5 ГО 4) конструкция ГО 4 догружается осевой силой. При создании избыточного давления определенной величины в силовых мешках 16 (контактирующих с ГО 4 на дугообразных участках шпангоутов 8) в соответствии с эпюрами распределения перерезывающих сил и изгибающих моментов по длине ГО 4 конструкция ГО 4 нагружается поперечными нагрузками.

Расчеты, проведенные авторами, показали, что для нагружения ГО сложной формы диаметром 2,4 м, размером по гаргротам 3,0 м, высотой до 6,0 м максимальной осевой сжимающей силой до 200 кН (20,0 тс) и максимальной поперечной силой до 55 кН (5,5 тс) по нижнему (торцевому) сечению ГО в мешке 14 сферической полости 13 необходимо создать избыточное давление (догружающее ГО осевой силой) не более 0,2 МПа (2 кГс/см²), а в мешках 16 ложементных полостей 15 необходимо создать избыточные давления порядка 0,3-0,4 МПа (3-4 кГс/см²). При этом максимальные давления в мешках 12 полостей 11 составляют 0,07-0,08 МПа (0,7-0,8 кГс/см²).

Следует отметить, что предложенный стенд для проведения прочностных испытаний является пневмоустройством (гидроустройством) и функционирует при подаче и распределении (через систему редуцирования от одного источника) в нагружающие мешки одного рабочего вещества - воздуха (воды). Для предложенной конструкции испытательного стенда не требуются силовые стены или колонны (для крепления силовозбулителей как в стенде-прототипе), поэтому возможно его автономное размещение на свободных площадях, например, производственного цеха. Система нагружающих конструкцию силовых мешков в верхней сферической полости и в полостях ложементной формы позволяет в зависимости от случая нагружения легко изменить прикладываемые осевую силу, поперечные силы и изгибающие моменты. Практически для изменения испытательных нагрузок по корпусу ГО нужно создать другие по величине, соответствующие другому случаю нагружения, избыточные давления в силовых мешках. При необходимости изменения направления действия испытательных сил по корпусу ГО давления создаются в силовых мешках разных полостей, расположенных по контуру ГО (без переналадки силонагружающих устройств или поворота объекта испытаний, как в стенде-прототипе).

Использование заявленного стенда для испытаний конструкций на прочность по сравнению с прототипом и аналогами позволяет нагрузить испытываемую конструкцию ГО комплексом статических нагрузок, более точно имитирующих эксплуатационные воздействия на конструкцию, приблизив условия испытаний к реальным условиям нагружения путем обеспечения свободного деформирования конструкции ГО, получить более достоверные результаты по несущей способности ГО, повысить надежность и точность экспериментальной наземной отработки прочности, упростить конструкцию стенда и уменьшить его металлоемкость (массу) за счет уменьшения объемов испытательной оснастки и сокращения номенклатуры нагружающих систем и устройств.

Изобретение относится к стендам для испытаний на прочность конструкций и может быть использовано для испытаний головных обтекателей и других отсеков ракет-носителей. Стенд для испытаний на прочность головного обтекателя содержит основание, ограничительные обечайки и устройство нагружения. Ограничительные обечайки установлены на основании внутри и снаружи головного обтекателя. Устройство нагружения выполнено в виде эластичных силовых мешков, размещенных между ограничительными обечайками и оболочкой головного обтекателя. Между наружной ограничительной обечайкой и верхней конической частью головного обтекателя выполнена полость сферической формы. Между наружной ограничительной обечайкой и шпангоутами головного обтекателя выполнены полости дугообразной формы с центральным углом по дуге контура шпангоутов менее 180°. В упомянутых полостях размещены эластичные силовые мешки. Техническим результатом изобретения является приближение условий испытаний конструкций к реальным условиям нагружения, обеспечение возможности получения более достоверных результатов по несущей способности испытываемых конструкций, повышение надежности и точности наземной экспериментальной отработки прочности испытываемых конструкций, упрощение конструкции стенда и уменьшение его металлоемкости. 2 ил.

Стенд для испытаний на прочность головного обтекателя, содержащий основание, ограничительные обечайки, установленные на основании внутри и снаружи головного обтекателя, и устройство нагружения, выполненное в виде эластичных силовых мешков, размещенных между ограничительными обечайками и оболочкой головного обтекателя, отличающийся тем, что между наружной ограничительной обечайкой и верхней конической частью головного обтекателя выполнена полость сферической формы с размещенным в ней эластичным силовым мешком, а между наружной ограничительной обечайкой и шпангоутами головного обтекателя выполнены полости дугообразной формы с центральным углом по дуге контура шпангоутов менее 180° с размещенными в них эластичными силовыми мешками.