Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для крепления композиционных стрингерных панелей

Изобретение относится к области испытаний летательных аппаратов на прочность, в частности к средствам испытаний на сжатие подкрепленных панелей из слоистых полимерных композиционных материалов.

Из существующего уровня техники известно устройство для крепления экспериментальных панелей из полистирола, армированных профилированным металлом, содержащее нагружающее устройство, включающее подвижную и неподвижную опоры, системы управления и измерения, горизонтально расположенную силовую раму, закрепленную на двух подставках и состоящую из левой, правой, верхней и нижней балок, соединенных болтами, при этом к левой балке закреплен электромеханический привод, движущий подвижную опору, а на подвижной и неподвижной опорах смонтированы зажимные устройства (патент на полезную модель RU 82038, МПК G01N 3/08, опубл. 10.04.2009). Данное техническое решение не обеспечивает подкрепление и защиту от расслоения торцов армированных профилированным металлом панелей при сжатии.

Из уровня техники (см. патент RU 2490613 С2, G01N 3/24, опубликованный 20.08.2013) известно устройство для крепления экспериментальных образцов диффузионного соединения листовых заготовок при испытании на сдвиг, состоящий из двух соединенных внахлест пластин, образующих диффузионное соединение, имеющий совмещенные с ними накладки, расположенные с противоположных от соединения сторон. Длина рабочей части образца равна длине нахлеста, составляющей не менее четверти высоты образца, ширина образца равна не менее половины длины нахлеста. Известное устройство не обеспечивает крепление стрингерных панелей из полимерного композиционного материала при испытаниях на сжатие.

Также из уровня техники (см. патент RU 127920 U1, G01N 3/24, опубликованный 10.05.2013) известно устройство для крепления экспериментальных образцов при внецентренном сжатии двутавровых металлических профилей с отверстиями по углам на верхней и нижней поверхностях для его фиксации в испытательном устройстве, а устройство дополнительно снабжено нижней и верхней опорными плитами с фиксирующими шпильками.

Указанное устройство не обеспечивает возможности крепления стрингерных панелей из ПКМ на сжатие с подкреплением наружных торцов и защитой их от преждевременного расслоения.

Помимо этого, аналогом заявленного технического решения является устройство для крепления подкрепленной панели, известное из патента SU 1840335 A1, G01N 3/08, опубликованного 10.10.2006.

Указанное устройство крепления при испытаниях подкрепленной панели состоит из двух параллельных неразрезанных трехпролетных панелей, двух крайних и двух средних нервюр, связывающих панели между собой и двух боковых стенок, закрепленных на нервюрах. Образец снабжен также опорными шарнирными узлами, внешние обоймы которых закреплены на соответствующих крайних нервюрах, а внутренние - на концах одной из неразрезанных трехпролетных панелей, при этом ось шарнира лежит на линии пересечения серединной плоскости соответствующей крайней нервюры с плоскостью, проходящей параллельно обшивке через линию центров тяжести поперечных сечений панели.

Указанный образец (устройство) не обеспечивает защиту торцов сжатой подкрепленной модельной панели летательного аппарата из ПКМ от преждевременного расслоения, свойственного элементам из слоистых полимерных конструкционных материалов, деформирующихся в линейной зоне вплоть до разрушения.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является устройство для крепления экспериментальных образцов при испытаниях панелей, состоящее из стяжных (распорных) обойм, призматических скользящих вкладышей, стрингерной панели с тензометрическими датчиками, краевых крепежных болтов и гаек (патент на полезную модель RU 128930, МПК G01N 3/08, опубл. 10.06.2013).

Недостатком данного технического решения является то, что оно не обеспечивает равномерного стеснения (подкрепления) торцевых зон широкой стрингерной панели из полимерного композиционного материала по всему многошаговому контуру за счет применения только концевых стяжных болтов. И обладает, обеспечивая изгибную жесткость распорных обойм, массой, значительно (в 10-15 раз) превышающей массу экспериментальной панели. Большая масса распорных обойм при подготовке и монтаже панели на испытательном стенде требует использования грузоподъемной техники и дополнительного персонала.

Недостатком же всех выше указанных технических решений является отсутствие возможности оптимального крепления при лабораторных испытаниях на сжатие широких стрингерных панелей из ПКМ с равномерным стеснением (подкреплением) нагружаемых торцов и моделированием процесса деформирования экспериментальной типовой неразрезной панели, близкого к реальному.

Задачей и техническим результатом изобретения является разработка устройства крепления экспериментальных образцов, позволяющего повысить точность воспроизведения граничных условий при испытаниях экспериментальных образцов широких стрингерных панелей из перспективных ПКМ в лабораторных условиях.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве для крепления композиционных стрингерных панелей, содержащем жесткие обоймы, соединенные стяжными болтами, распорные комплекты призматических скользящих вкладышей, стяжные болты установлены внутри отверстий в торцевой зоне панели с зазором не менее 0,5% от диаметра стяжного болта, а распорные комплекты призматических скользящих вкладышей включают центральные и боковые вкладыши, которые установлены по свободной посадке на стяжном болту. При этом нагружаемый торец панели выступает за жесткие обоймы на длину, равную 25-35% от толщины обшивки панели между стрингерами.

Как видно из вышесказанного, технический результат достигается установкой множества стяжных болтов, с зазором в отверстиях торцевых зон экспериментальной панели и призматических вкладышах в межстрингерном шаге экспериментальной широкой панели, моделирующей натурную длинномерную непрерывную, с точки зрения деформирования слоистого материала, конструкцию.

Сущность изобретения поясняется на фиг 1, на которой показано устройство для крепления экспериментальной стрингерной панели из полимерного композиционного материала (ПКМ) на сжатие.

На фиг 2 показан вид сбоку на стесненный опорный торец панели помещенный между пары жестких стяжных обойм с выступом над ними.

На фиг 1 и 2 показаны: стрингерная панель из ПКМ 1, жесткие обоймы 2, призматические скользящие вкладыши 3, стяжные болты 4, гайки 5, выступ панели 6 с усиливающими накладками (например, из стеклопластика) 7 над жесткими обоймами, зазор 8 между отверстиями в панели, клиновидных вкладышах и телом стяжного болта. В жестких обоймах 2 стяжные болты 4 находятся без зазоров.

Работает устройство следующим образом. На широкую стрингерную панель 1 с отверстиями в обшивке торцевых зон монтируют поочередно с каждой стороны пару жестких обойм 2, устанавливают призматические вкладыши 3 и стягивают болтами 4 и гайками 5, обеспечивая при этом выход торца экспериментальной панели 6 из ПКМ с усиливающими стеклопластиковыми накладками 7 на величину, равную 25-35% от толщины обшивки между стрингерами над жесткими обоймами, при этом стяжные болты проходят и в отверстия в панели из ПКМ и в отверстия вкладышей с зазором не менее 0,5% от диаметра стяжного болта, обеспечивая равномерное прилегание (давление) и, соответственно, и стеснение торцевых зон по всему контуру (по обшивке и по стрингерам). При затягивании гаек происходит взаимное смещение и самоустановка вкладышей за счет их клиновидной формы и их смазки в каждом межстрингерном шаге широкой панели. Это обеспечивает равномерное распределение давления от призматических вкладышей на торцевую поверхность панели в каждой межстрингерной зоне.

Наличие зазоров в отверстиях панели исключает возможность возникновения дополнительных контактных напряжений и концентрации напряжений в подкрепленных стеклопластиковыми накладками нагружаемых торцах. При этом нагружаемый торец панели выступает за жесткие обоймы на длину, равную 25-35% от толщины обшивки между стрингерами. Давление на поверхность панели в зоне торцов от призматических вкладышей регламентируется контактной прочностью композиционного материала. Для реализации необходимого давления подбираются размеры призматических вкладышей, диаметр и момент затяжки болтов.

Давление на поверхность торцевых зон панели (стеснение) препятствует преждевременному расслоению торцов стрингерной панели, из-за практически отсутствия пластики в конструкционном полимерном композиционном материале, в процессе деформирования при приложенной к ним сжимающей нагрузки от плоских нажимных плит испытательной машины и (обеспечивает) создает, таким образом, граничные условия, имитирующие характер деформирования в лабораторных условиях, идентичный реальному деформированию натурной конструкции в эксплуатации.

Помимо этого, следует отметить, что масса жестких обойм и всего устройства в целом значительно меньше, чем в прототипе, обеспечивая при этом не меньшую изгибную, в поперечном направлении, жесткость жестких обойм, что и в прототипе. Использование предложенного технического решения позволит исключить необходимость применения подъемно-транспортных механизмов, привлечение дополнительного персонала и сократить время и стоимость подготовки эксперимента на 30% при многократном использовании устройства.

Изготовлен опытный образец устройства, получены положительные результаты, подтверждающие вышеуказанный технический результат при испытании серии стрингерных панелей из слоистого полимерного композиционного материала. Вес устройства при этом во много раз меньше, чем у прототипа.