Способ экспериментального определения изгибной жесткости элементов летательного аппарата Российский патент 2025 года по МПК G01M5/00 G01N3/20 

Изобретение относится к авиационно-космической промышленности.

Изгибные жесткости элементов летательного аппарата (ЛА) при их балочной схематизации, являются одной из основных его характеристик, которые необходимо учитывать при исследовании аэроупругости ЛА, поэтому задача экспериментального определения этих жесткостей является актуальной проблемой.

В настоящее время активно используется несколько способов экспериментального определения изгибных жесткостей элементов ЛА.

Все описываемые ниже способы наиболее подходят для испытаний любых элементов ЛА, имеющих большое удлинение, которые моделируются балками. В качестве примера испытываемого элемента ЛА рассмотрим крыло самолета, имеющее большое удлинение.

Известен способ экспериментального определения изгибной жесткости элементов ЛА - первый аналог предлагаемого способа (Бедржицкий Е.Л. и др. Аэродинамические и прочностные испытания самолетов: Учебник для авиационных техникумов - М.: Машиностроение, 1992 - 432 с., страница 306) с использованием кривизномера, представляющего собой опорную платформу, в середине которой закреплен датчик линейных перемещений.

Последовательность операций способа следующая:

1. Крыло в бортовом сечении жестко фиксируют в горизонтальном положении, например, жестко крепят к вертикальной стенке. Затем в области трех соседних сечений - части силового набора каркаса крыла, перпендикулярных к его оси жесткости, производят разметку области определения изгибной жесткости крыла по оси его жесткости и определяют крайние поперечные сечения области определения жесткости А и С и среднее поперечное сечение В этой области. В случае, когда в качестве части силового каркаса крыла выбраны нервюры, которые перпендикулярны к оси жесткости, выбранные три сечения могут располагаться над ними.

Устанавливают кривизномер на опоры, которые фиксируют его на крыле в сечениях А и С.

2. Включают датчик линейных перемещений.

3. Фиксируют показание датчика линейных перемещений в сечении В до нагружения свободного конца крыла сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом.

4. Свободный конец крыла нагружают сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом.

5. Измеряют прогиб крыла в сечении В датчиком линейных перемещений.

6. Используя величину разницы прогибов по пп. 5 и 3, определяют среднее значение изгибной жесткости крыла в области АВС.

Недостаток способа первого аналога заключается в том, что диапазон измерений этого устройства ограничен и определяется величиной изгибающего момента и расстоянием между опорами кривизномера, которые фиксируются на силовом каркасе крыла (например, нервюрах). Т.е. шаг нервюр является основным ограничением для показаний датчика перемещений, используемых на кривизномере. Недостатком этого устройства также является влияние возможных нерегулярностей (ступенькообразностей) изгибной жесткости в области АВС на результаты измерений. Кроме того, недостатком способа первого аналога является снижение в два раза показаний датчика перемещений относительно показаний датчика перемещений прототипа согласно формуле определения радиуса кривизны области АВС и поэтому погрешность определяемого среднего значения изгибной жесткости будет в два раза выше.

Известен способ экспериментального определения изгибной жесткости элементов ЛА- второй аналог предлагаемого способа, описанный в авторском свидетельстве № 299738 от 1971 г. на «Устройство для измерения кривизны деформированных элементов конструкции при статических испытаниях». Теоретически способ позволяет измерять величину кривизны упругой линии деформированного элемента конструкции, например, крыла большого удлинения, при больших расстояниях между точками пластин и шкалы.

Устройство состоит из следующих элементов:

- первой пластины, у которой в нижней части выполнен прямоугольный вырез;

- второй пластины;

- шкалы;

- нитей, обладающих повышенной жесткостью на кручение, на которых к испытываемому элементу конструкции подвешиваются обе пластины и шкала;

- источника гомоцентрического светового пучка;

- регулируемой по высоте опоры, на которой крепится источник гомоцентрического светового пучка.

Последовательность операций способа:

1. Крыло в бортовом сечении жестко фиксируют в горизонтальном положении, например, жестко крепят к вертикальной стенке.

2. К крылу вдоль оси жесткости на нитях подвешивают первую и вторую пластины, а также шкалу, таким образом, чтобы нижние кромки пластин и шкалы были расположены перпендикулярно вертикальной плоскости, проходящей через точки подвеса.

3. При отсутствии нагрузки включают источник светового пучка. При этом на шкале появляется тень от первой и второй пластины. Перемещением источника светового пучка по высоте с помощью регулируемой опоры добиваются исчезновения уступа от тени, отбрасываемой от прямоугольного выступа первой и второй пластины. По уровню сплошной нижней кромки тени на шкале производят отсчет, соответствующий нулевой нагрузке.

4. После этого производят нагружение крыла сосредоточенной силой и за счет вертикального перемещения источника света вновь добиваются получения нижней кромки на шкале. Снимают полученный под нагрузкой отсчет на шкале.

5. Разность отсчетов по п.п. 4 и 3 дает величину, характеризующую кривизну испытываемой конструкции при ее деформации под заданной нагрузкой.

Недостатки указанного выше способа следующие:

- закрепление нитей требует демонтажа крепежных элементов конструкции или установления дополнительных (временных) крепежных элементов;

- колебания пластин и экрана от перемещения воздушных масс в помещении (вентиляции), а также от приложенной внешней силы, которая, как правило, имеет и динамическую составляющую;

- измерение разности отсчетов на шкале линейкой при неконтрастных краях световых теней и как следствие, появление больших погрешностей измерения разности отсчетов.

Поэтому при использовании этого способа, изгибная жесткость крыла в области его экспериментального определения будет определена с погрешностью существенно большей, чем при применении каждого из рассмотренных здесь других способов.

Известен способ экспериментального определения изгибной жесткости элементов ЛА, - прототип предлагаемого способа (Руководство для конструкторов, том III - Прочность самолетов, книга 2 - Аэроупругость, выпуск 9 - Экспериментальные методы определения жесткостных характеристик самолета и его частей, ЦАГИ, 1979, страницы 4-9) с использованием кривизномера, представляющего собой опорную платформу (основание), на конце которой закреплен датчик линейных перемещений. Опоры кривизномера в количестве двух штук представляют собой фиксированные опоры, которые прикреплены к основанию кривизномера.

Последовательность операций способа следующая:

1. Крыло в бортовом сечении жестко фиксируют в горизонтальном положении, например, жестко крепят к вертикальной стенке. Затем в области трех соседних сечений - части силового набора каркаса крыла, перпендикулярных к его оси жесткости, производят разметку области определения изгибной жесткости крыла по оси его жесткости и определяют крайние поперечные сечения области определения жесткости А и С и среднее поперечное сечение В этой области, выполнив условие (z_В - z_А) = (z_С - z_В), где z_А, z_В, z_С - координаты сечений А, В, С по оси z, расположенной по оси жесткости крыла. В случае, когда в качестве части силового каркаса крыла выбраны нервюры, которые перпендикулярны к оси жесткости, выбранные три сечения могут располагаться над ними. Устанавливают кривизномер на опоры, которые фиксируют его на крыле в сечениях А и В по п.1.

2. Включают датчик линейных перемещений.

3. Фиксируют показание датчика линейных перемещений в сечении С до нагружения свободного конца крыла сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом.

4. Свободный конец крыла нагружают сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом.

5. Измеряют прогиб крыла в сечении С, с использованием датчика линейных перемещений.

6. Используя величину разницы прогибов по п. п. 3 и 5, определяют среднее значение изгибной жесткости крыла в области АВС.

Недостаток способа прототипа заключается в том, что диапазон измерений этого устройства ограничен и определяется величиной изгибающего момента и расстоянием между опорами кривизномера, которые фиксируются на силовом каркасе крыла (например, нервюрах). Т.е. шаг нервюр является основным ограничением для показаний датчика перемещений, используемых на кривизномере. Недостатком этого способа также является влияние возможных нерегулярностей (ступенькообразностей) изгибной жесткости в области АВС на результаты измерений.

Техническим результатом способа экспериментального определения изгибной жесткости элементов ЛА является уменьшение погрешности определяемой изгибной жесткости крыла в области его экспериментального определения.

Технический результат достигается тем, что в способе экспериментального определения изгибной жесткости элементов ЛА, с использованием устройства экспериментального определения изгибной жесткости элементов ЛА, имеющего в своем составе основание с прикрепленными к нему фиксированными опорами и датчик линейных перемещений, в котором один конец элемента ЛА жестко фиксируют в горизонтальном положении, в выбранной зоне силового набора каркаса элемента ЛА, на верхней обшивке элемента ЛА проводят разметку поперечных сечений в области измерения изгибной жесткости элемента ЛА по оси его жесткости и тем самым определяют сечения А, В и С, причем сечения А и С являются крайними сечениями области определения изгибной жесткости, а сечение В является средним сечением этой области, в упомянутой выше области устанавливают устройство экспериментального определения изгибной жесткости элемента ЛА на фиксированные опоры и нагружают свободный конец элемента ЛА сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом, основание устройства экспериментального определения изгибной жесткости элемента ЛА состоит из двух частей, эти части основания закрепляют на элементе ЛА с помощью вакуумных прижимов, жестко прикрепленных к каждой части основания, на обе части основания устройства экспериментального определения изгибной жесткости элемента ЛА жестко крепят вертикальные стойки - по одной стойке на каждую часть основания, на одну из стоек крепят датчик линейного перемещения и дополнительный датчик линейного перемещения, затем оба указанных датчика включают и определяют расстояния между стойками по показаниям датчиков, после этого изменяют положение стоек до выполнения условия их параллельности с использованием регулируемых опор, жестко прикрепленных к каждой части основания, после нагружения свободного конца элемента ЛА сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом фиксируют новые расстояния между стойками по показаниям указанных датчиков, определяют угол поворота стоек при нагруженном и ненагруженном сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом состояниях элемента ЛА, и по этому углу определяют среднюю изгибную жесткость элемента ЛА в области определения этой жесткости.

На фиг. 1 а) и б) изображено устройство экспериментального определения изгибной жесткости элементов ЛА для реализации способа (в качестве примера элемента ЛА выбрано крыло большого удлинения), представляющее собой новый кривизномер: а) - изометрическая проекция устройства и б) - горизонтальная проекция устройства. Устройство установлено на крыле в области определения его средней изгибной жесткости (области АВС).

На фиг. 2 изображена схема измерений геометрических параметров крыла большого удлинения для определения его средней изгибной жесткости в области экспериментального определения изгибной жесткости крыла (области АВС) на новом устройстве.

На фигурах изображено:

1 - крыло большого удлинения (в качестве примера элемента ЛА);

2 - основания левой и правой части кривизномера;

3 - фиксированные опоры кривизномера;

4 - регулируемые опоры кривизномера;

5 - датчики линейных перемещений (в качестве примера рассмотрим использование оптических датчиков линейных перемещений);

6 - стойка кривизномера для фиксации датчиков;

7 - стойка кривизномера, служащая для определения расстояний между датчиками и этой стойкой;

8 - бортовая нервюра крыла;

9 - свободный конец крыла;

10 - ось жесткости крыла;

11 - вакуумные прижимы кривизномера;

Т ₁₀ - расстояние между стойками, определенное по нижнему датчику (крыло не нагружено сосредоточенной силой Р);

Т ₂₀ - расстояние между стойками, определенное по верхнему датчику (крыло не нагружено сосредоточенной силой Р), Т₂₀ = Т₁₀ (из условия параллельности планок АД и СЕ);

Т _1н - расстояние между стойками, определенное по нижнему датчику (крыло нагружено сосредоточенной силой Р);

Т _2н - расстояние между стойками, определенное по верхнему датчику (крыло нагружено сосредоточенной силой Р);

Δz - разница расстояний между стойками, определенных по верхнему и нижнему датчикам (крыло нагружено сосредоточенной силой Р);

z _А - координата сечения А;

z _B - координата сечения В;

z _C - координата сечения С;

s - половина расстояния между сечениями А и С;

EI _x - среднее значение изгибной жесткости в области АВС;

М_х - изгибающий момент, действующий в сечении В;

ρ - радиус кривизны области АВС;

H - расстояние между верхним и нижним датчиками;

α - угол поворота стоек между нагруженным и ненагруженным сосредоточенной силой или сосредоточенным моментом состояниями крыла.

Устройство экспериментального определения изгибных жесткостей элементов ЛА представляет собой кривизномер, который состоит из двух однотипных частей. Каждая часть кривизномера состоит из основания кривизномера 2, являющегося его платформой, жестко крепящихся к нижней поверхности основания кривизномера фиксированных 3 и регулируемых 4 опор, а также вакуумных прижимов 11 и жестко крепящихся к верхней поверхности основания кривизномера вертикальных стоек (по одной стойке для каждой части кривизномера). К первой стойке 6 крепятся датчики линейных перемещений 5 (в качестве примера выбраны оптические датчики линейных перемещений), а вторая стойка 7 предназначается для определения расстояний между каждым датчиком и этой стойкой.

Возможно применение других типов датчиков вместо оптических датчиков. Нижний датчик должен быть максимально приближен к платформе кривизномера, наименьшее расстояние между этим датчиком и платформой определяется конструкцией датчика и конструкцией платформы, но это расстояние, как правило, не должно быть менее 5 см. Расстояние между нижним и верхним датчиками должно быть не менее расстояния между сечениями А и С. Верхний предел этого расстояния (как и высота стоек) зависит от веса стоек, размеров помещения, в котором производятся испытания, а также от условий хранения кривизномера. Чем больше будет расстояние между датчиками, тем меньше будет погрешность определения изгибной жесткости на выбранной области ее определения. Указанное выше расстояние не должно быть не менее 100 см.

На Фигуре 1 изображен вариант кривизномера, имеющий для каждой своей половины по две фиксированные опоры и одну регулируемую опору. Возможен вариант кривизномера, содержащий для каждой своей половины по две регулируемые опоры вместо фиксированных опор и одну фиксированную опору вместо регулируемой опоры. Этот вариант кривизномера зависит от геометрии агрегата ЛА. При этом технический результат применения нового способа не изменится.

Последовательность операций способа следующая (в качестве примера элемента ЛА выбрано крыло большого удлинения):

1. Крыло по его бортовой нервюре 8 жестко фиксируют в горизонтальном положении. Затем в области трех соседних сечений - части силового набора каркаса крыла, перпендикулярных к его оси жесткости, производят разметку области определения изгибной жесткости крыла по оси его жесткости на верхней обшивке крыла и определяют крайние поперечные сечения области определения жесткости А и С и среднее поперечное сечение В этой области. В случае, когда в качестве части силового каркаса крыла выбраны нервюры, которые перпендикулярны к оси жесткости, выбранные три сечения могут располагаться над ними. При этом выполняется условие: (z_В - z_А) = (z_С - z_В) = ½_* (z_С - z_А), где z_А, z_В, z_С - координаты сечений А, В, С по оси z, расположенной по оси жесткости крыла.

2. Устанавливают основания двух половин кривизномера на фиксированные опоры 3, которые опираются на крыло в области определения изгибной жесткости (области АВС) на верхней обшивке крыла. С помощью вакуумных прижимов 11 закрепляют кривизномер на крыле.

3. Для получения допустимой погрешности определения изгибной жесткости балки регулируют расстояние между нижним и верхним датчиками. Включают датчики линейных перемещений 5 (в качестве примера рассмотрены оптические датчики линейных перемещений).

4. С помощью регулируемых опор 4 добиваются параллельности установки стойки - опоры нижнего и верхнего оптического датчика и стойки, предназначенной для определения расстояний между датчиками и этой стойкой (Т₁₀ и Т₂₀ соответственно), затем эти расстояния фиксируют;

5. Свободный конец крыла 9 нагружают сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом.

6. Фиксируют новые расстояния между опорами по показаниям нижнего и верхнего оптических датчиков (Т_1Н и Т_2Н соответственно) и вычисляют α - угол поворота стоек между нагруженным и ненагруженным сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом состояниями крыла, по которому определяют среднюю изгибную жесткость крыла в области ее определения (в области АВС).

Для определения изгибной жесткости элемента ЛА используют следующие формулы:

Δz = Т_2н - Т_1н (1)

EI _x = М_х*ρ (2)

Для α ≤ 5^° с точностью до 0,4% можно принять

α ≈ sinα ≈ tgα

cos α ≈ 1

Определяем Δz по формуле (3):

Δz = 2H_*α = 2H_* (3)

Определяем ρ по формуле (4), которая следует из формулы (3):

ρ = 2H_*s/Δz (4)

Затем по формуле (2) вычисляем EI_x.

Рассмотрим пример расчетных оценок экспериментально определенных приращений прогиба балки в области ABC (Δz, Δy), определяемых двумя способами, принятыми за первый аналог и прототип нового способа и самим новым способом. Расчеты выполним на балке прямоугольного сечения. Материал балки - алюминиевый сплав.

Примем, что длина участков балки АВ = ВС = АС/2 = s = 0,5 м.

Для простоты оценок принимаем жесткости постоянными в сечениях A,B,C: EI_x = 5.5Е12 кГс*мм².

Расстояние между оптическими датчиками принимаем Н = 1 м.

К свободному концу балки прикладывается сосредоточенный изгибающий момент, равный

М_х = 2.0Е7 кГс*мм,

который создает максимальные напряжения в балке σ_z = 5.0 кГс/мм².

Модуль упругости материала Е и высота профиля балки h принимаются соответственно:

Е = 7200 кГс/мм² и h = 381,0 мм.

Из (2) и (3) вычисляем радиус кривизны ρ = EI_x / М_х = 275000 мм и угол α = s/p = 0,001818.

Расчетные оценки экспериментально определенных приращений прогиба балки в области ABC по способам следующие:

- для нового способа по формуле (4): Δz = 2Нα = 2*1000*0,001818 = 3,636 мм;

- для способа прототипа по следующей формуле: Δy = s²/(4ρ) = 1000²/(4*275000) = 0,909 мм;

- для способа первого аналога по следующей формуле: Δy = s²/(8ρ) = 1000²/(8*275000) = 0,455 мм.

Благодаря тому, что Δz существенно больше Δy первого аналога и прототипа, новый способ позволяет, выбирая параметры АВ, ВС и Н, существенно понизить погрешность определения изгибной жесткости балки.

Часто, на практике, при определении изгибной жесткости крыла большого удлинения, зоны АВ и ВС выбираются на верхней обшивке крыла по сечениям А,В,С, проходящим по нервюрам или другим элементам силового набора каркаса крыла. Используя новое устройство только в зоне АВ, можно исключить влияние нерегулярностей (ступенькообразностей) изгибной жесткости в зоне ВС на результаты измерений. При этом измеряемый параметр Δz уменьшится в два раза и станет равным 1,818 мм, что в два раза больше показаний Δy для способа прототипа, следовательно, погрешность определенной изгибной жесткости участка ABC нового способа будет в два раза ниже погрешности определенной изгибной жесткости этого участка при применении способа прототипа.

Способ позволяет определять изгибные жесткости элементов ЛА с меньшей погрешностью, чем при применении указанных выше способов.

Таким образом, согласно приведенным выше расчетам технический результат применения способа экспериментального определения изгибной жесткости элемента ЛА на примере крыла большого удлинения достигается тем, что измеряют длину базы измерений нового кривизномера (расстояние между верхним и нижним датчиком) которая увеличена, по сравнению с длинами баз измерения устройств первого аналога и прототипа, в которых длина базы измерения ограничена и равна расстоянию между опорами известных кривизномеров, равному шагу нервюр или других компонентов силового набора каркаса крыла.

Изобретение относится к авиационно-космической промышленности. Предлагаемый способ определения изгибной жесткости элементов ЛА может быть использован при испытаниях любых элементов ЛА, имеющих большое удлинение. Способ содержит следующую последовательность операций. Один конец элемента ЛА фиксируют в горизонтальном положении. В одной зоне части силового набора каркаса элемента ЛА производят разметку области определения изгибной жесткости элемента ЛА, по оси его жесткости, тем самым определяют поперечные сечения А, В и С. Сечения А и С являются крайними сечениями области определения изгибной жесткости элемента ЛА, а сечение В является средним сечением области определения изгибной жесткости элемента ЛА. Далее устанавливают основания двух половин кривизномера на фиксированные опоры, которые опираются на элемент ЛА в области определения изгибной жесткости крыла (области АВС). Затем с помощью вакуумных прижимов закрепляют кривизномер на крыле и включают датчики линейных перемещений. После чего с помощью регулируемых опор добиваются параллельности установки стойки - опоры оптических датчиков и стойки, предназначенной для определения расстояний между датчиками и этой стойкой, при этом фиксируют расстояние между стойками по показаниям нижнего и верхнего датчиков. Далее свободный конец элемента ЛА нагружают сосредоточенной силой Р или сосредоточенным изгибающим моментом М. Фиксируют новые расстояния между опорами по показаниям нижнего и верхнего датчиков и вычисляют угол поворота стоек α между нагруженным и ненагруженным сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом состояниями элемента ЛА. Используя угол поворота α, определяют среднюю изгибную жесткость элемента ЛА в области ее определения (в области АВС). Технический результат - уменьшение погрешности определяемого радиуса кривизны области экспериментального определения изгибной жесткости испытываемого элемента ЛА и, соответственно, уменьшение погрешности определяемой средней изгибной жесткости этого элемента в области его экспериментального определения. 2 ил.

Способ экспериментального определения изгибной жесткости элементов ЛА с использованием устройства экспериментального определения изгибной жесткости элементов летательного аппарата (ЛА), имеющего в своем составе основание с прикрепленными к нему фиксированными опорами и датчик линейных перемещений, в котором один конец элемента ЛА жестко фиксируют в горизонтальном положении, в выбранной зоне силового набора каркаса элемента ЛА, на верхней обшивке элемента ЛА проводят разметку поперечных сечений в области измерения изгибной жесткости элемента ЛА по оси его жесткости и тем самым определяют сечения А, В и С, причем сечения А и С являются крайними сечениями области определения изгибной жесткости, а сечение В является средним сечением этой области, в упомянутой выше области устанавливают устройство экспериментального определения изгибной жесткости элемента ЛА на фиксированные опоры и нагружают свободный конец элемента ЛА сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом, отличающийся тем, что основание устройства экспериментального определения изгибной жесткости элемента ЛА состоит из двух частей, эти части основания закрепляют на элементе ЛА с помощью вакуумных прижимов, жестко прикрепленных к каждой части основания, на обе части основания устройства экспериментального определения изгибной жесткости элемента ЛА жестко крепят вертикальные стойки – по одной стойке на каждую часть основания, на одну из стоек крепят датчик линейного перемещения и дополнительный датчик линейного перемещения, затем оба указанных датчика включают и определяют расстояния между стойками по показаниям датчиков, после этого изменяют положение стоек до выполнения условия их параллельности с использованием регулируемых опор, жестко прикрепленных к каждой части основания, после нагружения свободного конца элемента ЛА сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом фиксируют новые расстояния между стойками по показаниям указанных датчиков, определяют угол поворота стоек при нагруженном и ненагруженном сосредоточенной силой или сосредоточенным изгибающим моментом состояниях элемента ЛА, и по этому углу определяют среднюю изгибную жесткость элемента ЛА в области определения этой жесткости.