СПОСОБ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ НАТУРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2020 года по МПК G01M7/06 

Изобретение относится к технике прочностных испытаний натурных конструкций, в частности к способам двух известных видов испытаний, один из которых испытания на статическую прочность, а другой испытания на усталость. Результаты этих испытаний используют при выборе проектных, технологических и эксплуатационных решений в процессе разработки сложных конструкций.

Необходимость проведения статических испытаний связана с тем, что при расчетах на прочность сложных конструкций, состоящих из большого числа различных силовых элементов, работающих в специфических условиях, неизбежно приходится вводить упрощающие предположения. Ряд факторов, связанных с условиями работы силовых элементов в сложнонапряженном состоянии, вообще не представляется возможным учесть. Все это может быть источником погрешностей расчетов статической прочности авиационных конструкций. Проведение статических испытаний позволяет также оценить стабильность производственно-технологических процессов, наблюдать поведение конструкции на всех этапах нагружения, в том числе:

- при эксплуатационных нагрузках;

при расчетных нагрузках, которые получают увеличением эксплуатационных нагрузок на коэффициент безопасности;

- при нагрузках, близких к разрушающим;

- в моменты разрушений конструкции.

Аналогом на способ статических испытаний является способ, изложенный в Руководстве дня конструкторов «Статические испытания на прочность» том IV, выпуск 7, Издание бюро научной информации ЦАГИ, 1962 г.

В указанной публикации испытания проводят в два этапа. На первом этапе конструкцию нагружают ступенями по 10% от расчетной нагрузки (Р_расч) до 67% Р_расч. После разгрузки и осмотра, конструкцию нагружают до Р_расч, или до разрушения. При нагружении исследуют напряженное состояние конструкции. По результатам испытаний определяют напряженное состояние и определяют фактическую прочность с выявлением слабейшего элемента конструкции.

Недостатком данного способа является то, что после проведения испытаний на статическую прочность, конструкцию невозможно использовать для проведения испытаний на усталость. Это обуславливает необходимость изготовления нового, как правило, дорогостоящего объекта испытаний и создания специального стенда.

Необходимость проведения испытаний на усталость натурной конструкции обусловлена тем, что только такими испытаниями можно отработать элементы, ресурс которых определяется технологией изготовления и сборки конструкции, а также перераспределением усилий в смежных элементах конструкции при циклическом нагружении и разрушении ее элементов. Необходимость испытаний вызвана также тем, что из-за большого числа связанных между собой параметров, характеризующих нагружение в эксплуатации, и исключительной сложности усталостных процессов, невозможно при выборе проектных, технологических и эксплуатационных решений полагаться только на расчетно-теоретические методы и результаты испытаний образцов материала и узлов конструкции.

Аналог способа испытаний на усталость изложен в Руководстве для конструкторов «Методика и техника испытании на усталость планера самолета и его частей» том 3, книга 4, выпуск 14, издательство ЦАГИ, 1994 г. В данном способе испытания натурной конструкции проводят путем ее циклического нагружения эксплуатационным спектром переменных нагрузок.

Недостатком данного способа является невозможность совместить эти испытания со статическими испытаниями. Проведение статических испытаний до усталостных испытаний или в процессе их проведения недопустимо, так как приложение при статических испытаниях большой нагрузки, близкой по величине к разрушающей, приводит к существенному искажению результатов усталостных испытаний. Проведение статических испытаний после усталостных также неприемлемо, так как усталостные испытания длительные и это приводит к задержке начала эксплуатации. Кроме того, проведение статических испытаний поврежденной конструкции после усталостных испытаний связано с рисками преждевременного разрушения испытываемой конструкции.

Прототипом является способ статических испытаний, изложенный в публикации В.М. Мохова «Методика подготовки и проведения статических испытаний натурных авиационных конструкций», Труды ЦАГИ, выпуск 2615, 1995 г. В данном способе на конструкции монтируют тензодатчики. На первом этапе конструкцию нагружают ступенями по 5-10% Р_расч. На каждой ступени производят непрерывную запись показаний тензодатчиков. После снятия нагрузки производят экспресс-анализ результатов тензометрии и выполняют осмотр конструкции, особенно тщательно осматривают зоны с повышенными напряжениями. В случае обнаружения разрушений, выполняют восстановительный ремонт. На втором этапе нагружение осуществляют до Р_расч или до разрушения. До 70% Р_расч нагружение осуществляют ступенчато, далее продолжают нагружение, либо ступенчато, либо непрерывно. В процессе нагружения выполняют измерения напряжений по показаниям тензодатчиков.

Недостатком данного способа является то, что после проведения испытаний на статическую прочность, конструкцию невозможно использовать для проведения испытаний на усталость. Это связано с тем, что после нагружения конструкции расчетной нагрузкой Р_расч в результате пластических деформаций в конструкции возникают остаточные напряжения, которые могут оказать существенное влияние на результаты последующих испытаний на усталость. Кроме того, в случае разрушения конструкции ее ремонт, как правило, неоправданно трудоемкий. Это обуславливает необходимость изготовления нового, как правило, дорогостоящего объекта испытаний и создания специального стенда.

Технический результат предлагаемого способа прочностных испытаний натурных конструкций заключается в сокращении технических средств на создание установок необходимых для проведения испытаний, средств на изготовление двух натурных конструкций, а также сокращение длительности подготовки и проведения испытаний.

Технический результат способа прочностных испытаний натурных конструкций достигается тем, что монтируют тензодатчики на конструкцию, статически нагружают испытуемую конструкцию эксплуатационной нагрузкой, тензометрируют для определения действующих напряжений, осматривают конструкцию с целью обнаружения ее повреждений, выполняют расчет напряженного состояния конструкции при эксплуатационных нагрузках, статически нагружают испытуемую конструкцию эксплуатационной нагрузкой, тензометрируют для определения действующих напряжений, сравнивают результаты расчета с данными тензометрии с целью подтверждения достоверности конечно-элементной модели, в случае необходимости ее корректируют, вычисляют напряжения при расчетных нагрузках, сравнивают напряжения полученные расчетом для расчетных нагрузок с допускаемыми напряжениями по условиям статической прочности, проводят дефектоскопический контроль конструкции, испытывают на усталость ту же натурную конструкцию, которая статически нагружалась до эксплуатационных нагрузок.

Дополнительно проводят статическое нагружение образцов, аналогичных элементам натурной конструкции до их разрушения; по разрушающей нагрузке определяют допускаемые напряжения по условиям статической прочности, с которыми сравнивают действующие напряжения при расчетных нагрузках.

Статическое нагружение до эксплуатационных нагрузок осуществляют только наиболее нагруженной части натурной конструкции остальную часть нагружают нагрузками, не превышающими переменные нагрузки при усталостных испытаниях.

Перечень фигур:

- на фиг. 1 изображена схема монтажа тензодатчиков в наиболее нагруженном сечении консоли крыла;

- на фиг. 2 изображена схема нагружения объекта испытаний;

- на фиг. 3 изображена конечно-элементная модель консоли крыла;

- на фиг. 4 изображено сравнение распределение напряжений в сечении консоли крыла, полученные расчетом методом конечного элемента и тензометрией;

- на фиг. 5 изображены эпюры напряжений в сечении консоли крыла, полученные расчетом методом конечного элемента для расчетных и эксплуатационных нагрузок;

- на фиг. 6 изображена схема нагружения образца панели консоли крыла;

- на фиг. 7 изображен полетный цикл изменений перегрузки в центре тяжести самолета при усталостных испытаниях.

На фиг. 1 изображены: схема сечения консоли крыла 1, одиночные тензодатчики 2, розетки тензодатчиков 3.

На фиг. 2 изображены следующие элементы: консоль крыла 1; каналы нагружения 4, отсек фюзеляжа 5, силовая опора по заднему торцу отсека фюзеляжа 6, основные опоры шасси 7, силовая опора по переднему торцу отсека фюзеляжа 8, силовой макет двигателя 9.

На фиг. 3 изображены: конечно-элементная модель верхних панелей консоли крыла 10, конечно-элементная модель нижних панелей консоли крыла 11.

На фиг. 4 изображены: эпюра напряжений в панелях крыла, полученная расчетом методом конечного элемента 12, напряжения в панелях крыла, полученные тензометрией 13 при эксплуатационной нагрузке.

На фиг. 5 изображены: эпюра напряжений в панелях крыла, полученная расчетом методом конечного элемента при эксплуатационной нагрузке 12, эпюра напряжений в панелях крыла, полученная расчетом методом конечного элемента при расчетной нагрузке 14.

На фиг. 6 изображены следующие элементы: датчики перемещений 15, образец панели консоли крыла 16, который неподвижно закреплен снизу и сверху к нему приложена сжимающая или растягивающая нагрузка.

Способ апробирован при прочностных испытаниях натурной конструкции консоли крыла транспортного самолета. Способ реализован следующим образом.

Монтируют тензодатчики на испытываемой конструкции крыла в наиболее напряженном сечении (фиг. 1). Крыло статически нагружают эксплуатационной нагрузкой. Схема нагружения объекта испытаний приведена на фиг. 2. Выполняют тензометрирование для определения действующих напряжений при эксплуатационной нагрузке. После разгрузки конструкции проводят осмотр конструкции с целью обнаружения ее повреждений. Разрабатывают конечно-элементную модель конструкции (фиг. 3). Выполняют расчет напряженного состояния конструкции крыла при эксплуатационной нагрузке. Сравнивают результаты расчета с данными тензометрии (фиг. 4) и выполняют корректировку конечно-элементной модели. По скорректированной конечно-элементной модели вычисляют напряжения при расчетной нагрузке, которую получают увеличением эксплуатационной нагрузки на коэффициент безопасности равный 1,5 (фиг. 5). Проводят статические испытания образцов, аналогичных элементам натурной конструкции, до их разрушения (фиг. 6); по разрушающей нагрузке определяют допускаемые напряжения по условиям статической прочности. Сравнивают напряжения, полученные расчетом для расчетной нагрузки с допускаемыми напряжениями по условиям статической прочности. Результатами сравнения подтверждают статическую прочность конструкции крыла. Испытывают на усталость ту же натурную конструкцию, которая статически нагружают до эксплуатационных нагрузок. Усталостные испытания проводят путем циклического нагружения конструкции переменными нагрузками по циклограмме, приведенной на фиг. 7. Результатами усталостных испытаний подтверждают проектный ресурс конструкции крыла.

Проведенные испытания позволили получить технический результат, который заключался в том, что для проведения необходимого комплекса испытаний для экспериментального подтверждения как статической прочности, так и ресурса конструкции крыла самолета, было достаточно изготовления одной натурной конструкции и одного стенда испытаний, что в свою очередь привело к существенному сокращению потребных технических средств и длительности подготовки и проведения испытаний.

Изобретение относится к технике прочностных испытаний натурных конструкций, в частности к способам двух известных видов испытаний, один из которых испытания на статическую прочность, а другой испытания на усталость, которые проводят на двух идентичных полноразмерных конструкциях. В процессе реализации предложенного способа два вида испытаний совмещают на одной натурной конструкции и проводят дополнительные испытания на статическую прочность образцов критических по условиям статической прочности зон натурной конструкции. Для этого на первом этапе наиболее нагруженную часть натурной конструкции ступенчато нагружают до эксплуатационной нагрузки, а остальную часть конструкции нагружают нагрузкой, не превышающей переменные нагрузки усталостных испытаний, проводят тензометрию конструкции, по результатам которой верифицируют конечно-элементную (КЭ) модель конструкции. Выполняют расчет на основе КЭ модели для расчетного случая нагружения. Проводят статические испытания образцов зон натурной конструкции, которые являются критическими по условиям статической прочности. Прогнозируют статическую прочность конструкции путем сравнения действующих напряжений, полученных конечно-элементным расчетом для расчетных нагрузок, с разрушающими напряжениями, полученными в результате испытаний образцов. На втором этапе ту же натурную конструкцию, которую используют для статических испытаний, нагружают циклами переменных нагрузок, в объеме, достаточном для подтверждения проектного ресурса конструкции. Технический результат заключается в сокращении технических средств на создание установок, необходимых для проведения испытаний, и средств на изготовление двух полноразмерных конструкций, а также сокращение длительности подготовки и проведения испытаний. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ прочностных испытаний натурных конструкций, включающий: монтаж тензодатчиков на конструкции, статическое нагружение испытуемой конструкции, тензометрирование для определения действующих напряжений, осмотр конструкции с целью обнаружения ее повреждений, отличающийся тем, что разрабатывают конечно-элементную модель конструкции, выполняют расчет напряженного состояния конструкции при эксплуатационных нагрузках, статически нагружают испытуемую конструкцию эксплуатационной нагрузкой, тензометрируют для определения действующих напряжений, сравнивают результаты расчета с данными тензометрии с целью подтверждения достоверности конечно-элементной модели, в случае необходимости ее корректируют, вычисляют напряжения при расчетных нагрузках, сравнивают напряжения, полученные расчетом для расчетных нагрузок, с допускаемыми напряжениями по условиям статической прочности, проводят дефектоскопический контроль конструкции, испытывают на усталость ту же натурную конструкцию, которая статически нагружалась до эксплуатационных нагрузок.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно проводят статическое нагружение образцов, аналогичных элементам натурной конструкции, до их разрушения; по разрушающей нагрузке определяют допускаемые напряжения по условиям статической прочности, с которыми сравнивают действующие напряжения при расчетных нагрузках.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что статическое нагружение до эксплуатационных нагрузок осуществляют только наиболее нагруженной части натурной конструкции, остальную часть нагружают нагрузками, не превышающими переменные нагрузки при усталостных испытаниях.