CC BY
63
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС
№ 130
УДК 629.7.024
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МОДЕЛЕЙ КОРПУСОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В.В. БЕНДЮКОВ, М.М. ЛУРЬЕ, В.Я. СТУПАКОВ, А.В. ОСТАПЕНКО, П.Н. ОВЧАРОВ, О.Г. ОСЯЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
Приводятся результаты экспериментальных исследований физического моделирования эксплуатационных нагрузок на цилиндрические корпуса летательных аппаратов. Предложена экспериментальная установка, которая позволяет осуществлять комплексное нагружение моделей статическими (внутреннее давление, осевое сжатие и растяжение, кручение и изгиб) и динамическими (механическое и тепловое воздействие) нагрузками.
В настоящее время важным вопросом практических исследований остается определение реальных сроков эксплуатации летательных аппаратов и прогнозирование надежности выполнения ими задач в случае применения по назначению. Для этих целей необходимо использовать не только существующие методы теоретического определения показателей надежности, но и проводить экспериментальные исследования прочности конструкций летательных аппаратов с учетом факторов их длительной эксплуатации, а также с учетом воздействия внешних факторов на этапе эксплуатации. К первой группе факторов относятся: ползучесть и старение материалов конструкций летательных аппаратов, длительное время находящихся в эксплуатации. К внешним факторам следует отнести последствия возможных техногенных аварий, действие многоцикловых нагрузок, воздействие климатических факторов внешней среды, термосиловые нагрузки и другие.
Таким образом, длительная эксплуатация летательных аппаратов сопровождается развитием ряда факторов, воздействующих на них в процессе эксплуатации и применения по назначению. Поэтому актуальным является вопрос об оценке возможностей успешного выполнения задач при применении по назначению летательных аппаратов, длительное время находящихся в эксплуатации.
Предлагается использовать в качестве модельных образцов конструкций корпусов летательных аппаратов готовые промышленные образцы тонкостенных цилиндрических оболочек, отличающихся аффинным подобием геометрических и физикомеханических свойств, а также действующих эксплуатационных нагрузок, высокой технологией
изготовления и весьма низкой стоимостью. Все перечисленные условия свидетельствуют о возможности применения указанных видов оболочек в качестве моделей гладких корпусов летательных аппаратов для проведения экспериментальных исследований прочности конструкций такого типа.
Разработанная лабораторная установка многоцелевого назначения (рис. 1) предназначена для нагружения тонкостенных цилиндрических оболочек моделей корпусов летательных аппаратов внут- Рис. 1. Установка для исследования
ренним избыточным давлением, осевыми сжимаю- несущей способности моделей корпусов
летательных аппаратов
щими и растягивающими силами, вибрационными и термосиловыми нагрузками.
Экспериментальное определение несущей способности моделей корпусов летательных аппаратов сводится к опытному определению соотношений между основными действующими нагрузками, при которых достигается предельное равновесие конструкции, т. е. к определению границы области значений разрушающих нагрузок.
Расчетными случаями нагружения для корпусов летательных аппаратов являются:
максимум внутреннего давления в баках, обусловленного наддувом и весом столба жидкости компонентов топлива;
максимум продольного нагружения; максимум нагрева конструкции; максимум поперечных нагрузок.
Все перечисленные нагрузки действуют на корпуса летательных аппаратов комплексно, но в отдельные моменты времени, в зависимости условий полета на различных участках траектории, наиболее опасных значений достигают указанные в расчетных случаях составляющие внешних силовых факторов. Наиболее характерным и опасным с позиций прочности для топливных отсеков является сочетание осевой сжимающей силы и внутреннего избыточного давления. Действие осевой сжимающей силы может привести к потере устойчивости оболочки корпуса летательного аппарата, а действие внутреннего давления - к ее разрушению от чрезмерных окружных напряжений. Комплексное действие этих силовых факторов на оболочку приводит к появлению более сложных эффектов в механизме разрушения конструкции. Выявление таких эффектов также составляет задачу экспериментального исследования несущей способности моделей корпусов летательных аппаратов. Другой, не менее важной, задачей является определение границ области, которой соответствуют предельные сочетания силовых факторов, при которых конструкция может разрушиться.
Нагрев и изгибающие моменты являются дополнительными факторами, способствующими разрушению конструкций, однако учет этих факторов приведет к необходимости проведения более сложного многофакторного эксперимента.
Таким образом, задача экспериментального исследования несущей способности моделей корпусов летательных аппаратов состоит в установлении эмпирической зависимости между критическими значениями внутреннего избыточного давления и осевого сжатия, а также в выявлении эффектов и механизмов разрушения моделей в однофакторном эксперименте. При этом в качестве независимого аргумента целесообразно использовать фиксированные значения внутреннего давления, а разрушающие значения осевой сжимающей силы использовать в качестве отклика системы.
Экспериментальные исследования гладких цилиндрических оболочек показывают, что под действием внутреннего давления критические сжимающие напряжения вначале повышаются, но, начиная с некоторого значения давления p*, наблюдается падение критических напряжений. При сравнительно больших давлениях критические сжимающие напряжения могут оказаться меньше, чем при осевом сжатии (р=0).
С увеличением интенсивности внутреннего давления форма потери устойчивости оболочки при осевом сжатии непрерывно изменяется. При нагружении только осевой нагрузкой потеря устойчивости сопровождается образованием глубоких, обращенных к центру кривизны, ромбовидных вмятин. При малом давлении образуются вмятины, вытянутые в окружном направлении. По мере увеличения интенсивности давления длина вмятин вдоль дуги увеличивается. При значительном внутреннем давлении образуются сплошные кольцевые складки, что соответствует осесимметричной форме потери устойчивости.
Критические напряжения сжатия с учетом одновременного действия внутреннего давления
Gкр=kp(Eo/R).
(1)
Разрушающая осевая сила при нагружении оболочки давлением только в окружном направлении (рис. 2 а)
(2)
Tp = 2pRd • s Кр .
5)
Рис. 2. Схема нагружения оболочек Значения коэффициентов ^ = f(p,R/ 8), полученные в результате многочисленных экспе-
риментальных исследований, представлены на графиках (рис. 3), где p = p/E • ^/ 8)2 размерный параметр давления, а p - величина нормального давления.
- без-
Как видно из графиков, с увеличением p коэффициент ^ вначале увеличивается. Кривая А может быть представлена выражениями:
^ = k + 0,265^ (3)
При p > 0,8kp = k + 0,24
Здесь k = 0,18
__ i R\3/2
Начиная с давления p • = 83 • 10-61 — I , наблюдается снижение коэффициента kp, которое
представлено семейством кривых в зависимости от отношения R/s. Чем больше R/s, тем при больших давления p • наступает начало снижения kp.
Для конструкций, в которых оболочка является частью емкости (рисунок 2 б), несущая способность на осевом сжатие увеличивается за счет действия в осевом направлении разгрузки от давления. С учетом этого абсолютная величина разрушающей осевой силы
T = 2pR8s кр +pK2p. (4)
ЛИТЕРАТУРА
1. Кармишин А.В., Лясковец В.А., Мяченков В.И., Фролов А.Н. Статистика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций. - М.: Машиностроение, 1975.
2. Новожилов В.В. Основы нелинейной теории упругости. - Л.: Гостехиздат, 1984.
3. Шаповалов Л.А. Моделирование в задачах механики элементов конструкций. - М.: Машиностроение, 1990.
EXPERIMENTAL INSTALLATION FOR STUDY CARRYING ABILITIES of the MODELS BODY
FLYING MACHINE
Behdukov V.V., Lurje M.M., Stupakov V.J., Ostapenko A.V., Ovcharov P.N., Osyaev O.G.
The Broughted results of the experimental studies of physical modeling of the working loads on cylindrical body of the flying machines. It Is Offered experimental installation, which allows to realize complex нагружение models static (the internal pressure, axial compression and sprain, torsion and изгиб) and dynamic (mechanical and heat influence) load.
Сведения об авторах
Бендюков Вячеслав Валентинович, 1960 г.р., окончил Ростовское высшее военное командноинженерное училище ракетных войск (1982), кандидат технических наук, заведующий лабораторией Ростовского филиала МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов- конструкция и прочность летательных аппаратов.
Лурье Михаил Маркович, 1953 г.р., окончил РГУ (1976), заместитель директора по учебной работе Ростовского филиала МГТУ ГА, доцент, автор более 30 научных работ, область научных интересов -конструкция и прочность летательных аппаратов.
Ступаков Валерий Яковлевич, 1948 г.р., окончил Ростовский институт сельскохозяйственного машиностроения (1972), доцент Ростовского филиала МГТУ ГА, автор более 30 научных работ, область научных интересов - численные и экспериментальные методы исследования прочностной надежности несущих конструкций летательных аппаратов.
Остапенко Александр Владимирович, 1982 г.р., окончил Ростовский военный институт ракетных войск (2004), адъюнкт РВИРВ имени М.И. Неделина, автор более 10 научных работ, область научных интересов - численные и экспериментальные методы исследования прочностной надежности несущих конструкций летательных аппаратов.
Овчаров Петр Николаевич, 1955 г.р., окончил Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск (1978), кандидат технических наук, доцент Ростовского филиала МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов- конструкция и прочность летательных аппаратов.
Осяев Олег Геннадьевич, 1963 г.р., окончил Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск (1985), кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник НИО РВИРВ, автор более 70 научных работ, область научных интересов - численные и экспериментальные методы исследования прочностной надежности несущих конструкций летательных аппаратов.
