CC BY
63
УДК 539.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МОДЕЛЕЙ КОМПОЗИТНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК ПРИ ДЕЙСТВИИ ВНУТРЕННЕГО СТАТИЧЕСКОГО И ВНЕШНЕГО ИМПУЛЬСНОГО ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ
А.В. ОСТАПЕНКО, О.Г. ОСЯЕВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В процессе исследований были экспериментально определены параметры критических нагрузок и напряженно-деформированного состояния композитных цилиндрических оболочек при комбинированном нагружении внутренним статическим и внешним импульсивным давлением от воздействия воздушной ударной волны.
Ключевые слова: композитная цилиндрическая оболочка, несущая способность, внешнее импульсное давление, прочностные испытания, комбинированное нагружение, напряженно-деформированное состояние.
Задача исследований состояла в определении предельно допустимых соотношений параметров нагрузок, при которых конструкция не утрачивает несущей способности.
Методика исследований включала [1]:
1) прочностные испытания оболочек при действии внутреннего избыточного воздушного давления;
2) определение параметров внешнего импульсивного давления на поверхности корпуса оболочек;
3) прочностные испытания оболочек при воздействии ударной воздушной волны;
4) определение критических сочетаний параметров комбинированного нагружения оболочек;
5) определение деформаций корпуса при докритических значениях нагрузок;
6) обработку и анализ результатов.
Экспериментальное исследование проводилось
на установке (рис. 1), состоящей из устройства для создания импульсной нагрузки 1, испытуемой оболочки 2, системы крепления и системы нагружения внутренним воздушным давлением.
Система крепления оболочки включала верхнее 3 и нижнее 4 основания, связанные стяжными приспособлениями 5; система нагружения внутренним давлением - герметизирующие заглушки 6, трубопровод 7, баллон со сжатым воздухом 8, контрольный манометр 9, вентили 10, 11.
Система измерения параметров импульсного нагружения (рис. 2) состояла из имитатора испытуемой оболочки 1 с вмонтированными в него датчиками давления Т-6000 2, системы крепления (аналогичной приведенной на рис. 1), а также системы измерений “Нейва”, осциллографа С8-13 3, системы АРБП 4 (аппаратуры регистрации быстрых процессов). При измерении деформаций использовалась та же схема (рис. 2), где вместо имитатора 1 устанавливалась композитная оболочка с наклеенными на наружной поверхности датчиками КФ-5, 2ФКПА-20-200ХВ.
Схемы установки датчиков Т-6000 и КФ-5, 2ФКПА-20-200ХВ показаны на рис. 3 и 4, соответственно, где ъ - угол между направлением воздействия импульсной нагрузки и нормалью к поверхности объекта испытаний в центре воздействия: Р1 - Р3-позиции датчиков Т-6000; 81, 83, 85, - позиции датчиков деформаций в меридиональном направлении; 82, 84, 86, - в окружном направлении.
Рис. 1. Схема установки для нагружения
Рис. 2. Схема измерений
[62
¿83
¡£4
2=о ¿.-{во'
Рис. 4. Схема установки датчиков деформации
Создание импульсной нагрузки осуществлялось посредством подрыва либо листового взрывчатого вещества (ВВ), распределенного по косинусоидальному закону на поверхности из картона, эквидистантной корпусу оболочки, либо шарового ВВ, расположенного в канале универсальной трубы взрывного действия (УТВД).
В качестве объектов испытания использовались цилиндрические композитные оболочки из стекловолокнистого материала (СВМ + ЭДТ10) со следующими параметрами:
V = 25; 17 = 6; — = 1,13; — = 3,57, -Ы = 1,2, ,-,
и к Е0 Ее Ы 1ае]
= 2,5.
Здесь Ь,И,Ь - соответственно длина, радиус и толщина оболочки; (Е0,Ек,Ек0), ([о©], [о^, [о^]) - соответственно модули упругости и пределы прочности в продольном 8, окружном © направлениях и при сдвиге в плоскости к©.
Для создания давления внутри оболочки использовался сжатый воздух. Расстояние от объекта до источника импульсной нагрузки составляло 0,3 м.
Работа установки осуществлялась в следующей последовательности.
Оболочка нагружалась внутренним избыточным давлением Р до разрушения.
Полученное значение разрушающего давления Р* подтверждалось в последующих 3-4 опытах.
Затем определялось значение разрушающей импульсной нагрузки I* при отсутствии избыточного давления внутри оболочки (Р = 0). При этом устанавливались размерные и весовые параметры ВВ, при которых было достигнуто значение I*.
Непосредственное измерение величины I* осуществлялось с использованием схемы, показанной на рис. 2 при помощи датчиков Т-6000, вмонтированных в имитатор оболочки, и при условиях импульсного нагружения, соответствующих найденному I* (при которых оболочка разрушалась).
В дальнейших опытах, для оболочек предварительно нагруженных внутренним давлением Р1 = (0,8; 0,6; 0,4; 0,2)Р*, определялись параметры разрушающей импульсной нагрузки I* .
В результате, после измерения величин 11, соответствующих значениям внутреннего давления Р1 = (0,8....0,2) Р*, получены сочетания предельных параметров импульсного и статического нагружения композитных оболочек, при которых происходит их разрушение.
Полученные экспериментальные результаты представлены в виде зависимости параметров разрушающей импульсной нагрузки I* от внутреннего давления в оболочке Р* на рис. 5.
Безразмерные параметры комбинированной нагрузки представляют собой отношения
- Г
— =—,
- р* р = р,
I Р0
где I*, Р* - разрушающие значения импульсной нагрузки и внутреннего давления соответственно; Р0 - разрушающее значение импульсной нагрузки при Р = 0; Р*0 - разрушающее значение внутреннего давления при I = 0.
На втором этапе эксперимента были проведены измерения параметров деформаций композитных оболочек при докритических значениях нагрузки.
Для этого на испытуемые оболочки наклеивали датчики деформаций КФ-5, 2ФКПА-20-200ХВ (рис. 4) и затем собирали установку для испытаний и измерений (рис. 2).
Оболочки подвергались комбинированному нагружению внутренним и внешним избыточным давлением. Причем, исходя из определенных на первом этапе испытаний соотношений компонентов разрушающей нагрузки, параметры докритиче-ского нагружения подбирались таким образом, чтобы каждому значению величины внутреннего избыточного давления Р1 соответствовало значение докритической импульсной нагрузки 11 =0,8 11* согласно полученной зависимости 1=:Т(Р) (рис. 5). Испытания проводились в той же последовательности, что и на первом этапе, с шагом измерения внутреннего давления в оболочке Р1 = Р1 + 1 - Р1 = 0,25 • 105 Па.
В результате каждого опыта на ленте осциллографа записывалась информация об изменении электрического сопротивления каждого из установленных на оболочке датчиков, закон изменения которого характеризует величину деформации рассматриваемой точки испытуемого объекта в каждый момент времени.
Путем тарировки полученных результатов измерений были определены экспериментальные значения деформаций в различных точках поверхности оболочек при докритических значениях комбинированного нагружения (табл. 1).
Таблица 1
Экспериментальные значения деформаций в различных точках поверхности оболочек при докритических значениях комбинированного нагружения
Рис. 5. Критические соотношения параметров комбинированного воздействия внутреннего статического и внешнего импульсного давления
№ оболоч- Внутреннее давление Импульс внешнего давления Деформация є = є/є*,
ки - Р* Р = Р-, р0 - J* J = J-, т J0 Єї є2 є3 Є4 є5 Єб
1 0,5 0,5 0,18 0,75 0,39 0,88 0,17 0,98
2 0,4 0,6 0,38 0,27 0,03 0,27 0,02 0,25
3 0,3 0,7 0,13 - 0,75 0,51 0,02 -
4 0,8 0,2 0,14 0,9 0,2 0,99 0,25 0,85
В таблице:
Р = Р/Р , J = J/J , є = е/е , где Р, J, є - экспериментально полученные значения величин внутреннего давления, давления на поверхности оболочки (при z = 00) и деформации;
Р*, J*, є* - значения разрушающих величин внутреннего, внешнего импульсного давления и деформации оболочек.
Таким образом, при экспериментальном исследовании прочности композитных оболочек при комбинированном нагружении получены следующие результаты:
- определены сочетания предельных значений параметров комбинированного нагружения внутренним давлением и импульсной нагрузкой, при которых происходит разрушение композитных оболочек;
- разработан экспериментальный стенд для испытания оболочек при комбинированном действии внутреннего избыточного давления и импульсной нагрузки от срабатывания спецсредств;
- разработана и реализована методика проведения испытаний многослойных цилиндрических оболочек при совместном действии внутреннего статического и наружного импульсного давления;
- разработан и изготовлен имитатор испытуемой оболочки, позволяющий производить измерения величины внешнего импульсного давления на поверхности оболочки;
- получены экспериментальные значения параметров напряженно-деформированного состояния композитных оболочек при докритических значениях действующей комбинированной нагрузки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Осяев О.Г., Тимофеев А. С. Несущая способность композитных модельных конструкций при комбинированном нагружении: сб. науч. тр. РГАС. - Ростов - на - Дону. - С. 146 - 152.
2. Осяев О.Г., Остапенко А.В., Паталашко С.В. Оценка технического состояния несущих конструкций с учетом факторов длительной эксплуатации: сб. науч. тр. РИС ЮРГУЭС. - Ростов - на - Дону. - 2005. - Вып. 4. - Ч.2. - С. 217-221.
3. Новожилов В.В. Основы нелинейной теории упругости. М.: - Л.: Гостехиздат, 1984.
4. Григоренко Я.М., Василенко А.Т., Панкратова Н.Д. Статика анизотропных толстостенных оболочек. - Киев.: Вища школа, 1985.
5. Бакулин В.Н. Использование уравнений трехмерной теории упругости для решения задач динамики многослойных оболочек // Известия вузов. Авиационная техника. - 1985. - № 3. - С. 7-12.
EXPERIMENTAL DETERMINATION CARRYING ABILITIES OF THE MODELS KOMPOZITNYH CYLINDRICAL SHELL AT ACTION INTERNAL STEADY-STATE AND EXTERNAL PULSED SURPLUS PRESSURE
Ostapenko A.V., Osyaev O.G.
In process of the studies were an experimental certain parameters of the critical loads and tense-deformed conditions composites cylindrical shell under multifunction load internal steady-state and external impulsive pressure from influence of the air shock wave.
Key words: conditions composites cylindrical shell, carrying ability, external pulse pressure, strenght tests, combined loads, intense - deformed condition.
Сведения об авторах
Остапенко Александр Владимирович, 1982 г.р., окончил Ростовский военный институт ракетных войск (2004), преподаватель кафедры наземного оборудования РК РВИРВ им. М.И. Неделина, автор более 45 научных работ, область научных интересов - численные и экспериментальные методы исследования прочностной надежности несущих конструкций летательных аппаратов.
Осяев Олег Геннадьевич, 1963 г.р., окончил Ростовское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск (1985), кандидат технических наук, доцент, старший преподаватель кафедры материаловедения и ремонта РВО РВИРВ, автор более 100 научных трудов, область научных интересов
- численные и экспериментальные методы исследования прочностной надежности несущих конструкций летательных аппаратов.
