CC BY
42
УДК 624.011.1 DOI 10.18698/0536-1044-2016-2-59-64
Экспериментальные исследования трехслойных балок с пирамидальным дискретным заполнителем
О.М. Устарханов, Х.М. Муселемов, Т.О. Устарханов
Дагестанский государственный технический университет, 367015, Махачкала, Российская Федерация, просп. Имама Шамиля, д. 70
An Experimental Study of Three-Layer Beams with Discrete Pyramidal Filler
O.M. Ustarkhanov, H.M. Muselemov, T.O. Ustarkhanov
Dagestan State Technical University, 367015, Makhachkala, Russian Federation, Imam Shamyl Ave., Bldg. 70 e-mail: [email protected]
Для повышения прочности трехслойной конструкции (ТК) к воздействию динамических сил в качестве среднего слоя предложено использовать волокнистый материал. Однако он не обеспечивает необходимую жесткость ТК при статическом нагружении. Для увеличения жесткости предложено применить дискретный заполнитель пирамидальной формы. При этом необходимо выявить влияние статических нагрузок на несущую способность ТК с таким заполнителем. Проведены исследования трехслойных балок (ТБ) с дискретным пирамидальным заполнителем на поперечный изгиб при шарнирном и жестком закреплении их кромок. Нагружение осуществлялось равномерно распределенной нагрузкой с помощью специальных устройств и приспособлений. Нагрузка изменялась в пределах упругой зоны работы ТБ, т. е. после ее снятия остаточная деформация ТБ не наблюдалась. Одновременно измерялись смещение концов ТБ и расстояние между несущими слоями. Приведены экспериментальные значения напряжений, возникающих в верхнем несущем слое, и перемещений ТБ с пирамидальным заполнителем из алюминиевой фольги и сплава Д-19 при поперечном изгибе ТБ, а также сравнительные данные теоретических и экспериментальных исследований.
Ключевые слова: поперечный изгиб, пирамидальный заполнитель, трехслойная балка, несущий слой, деформация, напряжения.
To increase the resistance to the action of concentrated dynamic forces, the authors propose to use fibrous material as the middle layer of a three-layer structure. However, such material does not provide the necessary rigidity of the structure under static loads. To increase the rigidity, it is proposed to use discrete filler in the shape of a pyramid; in doing so, it is necessary to determine the impact of static loads on the bearing capacity of the sandwich structure when the pyramidal filler is used. The three-layer beams with pyramidal filler were studied for transverse bending with hinge- and rigid-edge fixing. The beams were subjected to an evenly distributed load using special devices and attachments. The load varied within the elastic zone of the three-layer beam, i.e. the residual deformation was not observed after removing the load. Simultaneously, the beam edge displacement and the distance between the bearing layers were measured. The paper presents experimental values of the stresses appearing in the top bearing layer and of the displacements of the three-layer beam with
pyramidal aluminum foil and D-19 alloy filler at transverse bending of the beam. The theoretical and the experimental data is compared.
Keywords: transverse bending, pyramidal filler, three-layer beam, bearing layer, deformation, stress.
Трехслойные конструкции (ТК) с сотовым заполнителем применяются в различных отраслях машиностроения (судо-, авиастроение и др.), но их широкому распространению препятствуют недостатки, одним из которых является низкая прочность при воздействии статических и дина-
мических нагрузок. Для устранения этого недостатка в качестве среднего слоя предложено применить волокнистый материал. Однако он не обеспечивает необходимую жесткость ТК при воздействии статических нагрузок. Для повышения этого параметра ТК предложено использовать дискретный заполнитель пирамидальной формы. При этом необходимо выявить влияние статических нагрузок на несущую способность ТК с пирамидальным заполнителем.
Теоретический расчет ТК проводился по методике, изложенной в работе [1], на примере трехслойной балки (ТБ). Результаты расчета параметров пирамидального дискретного заполнителя приведены в работах [2, 3]. Для проверки теоретического расчета были проведены экспериментальные исследования ТБ.
Технология изготовления испытуемых образцов, их размеры и количество, подготовка измерительного комплекса были выполнены в соответствии с заданными требованиями [4-6].
Обработка многочисленных результатов экспериментальных исследований ТК показала, что доверительный интервал q = 0,5aX 1<5% = 0,5. Используя значения функции L(q, к) распределения Стьюдента, получим число степеней свободы k = 8. Следовательно, выборка должна состоять не менее чем из девяти образцов для каждой серии испытаний.
По ширине балок располагалось не менее четырех пирамид, т. е. ширина ТБ определялась как размер основания пирамиды, умноженный на четыре. В качестве материала заполнителя использовались алюминиевая фольга и сплав Д-19 толщиной = 0,1 мм, а в качестве материала несущих слоев — алюминиевый сплав АМгбМ толщиной t = 1,5 мм.
Контроль осевого смещения ТБ проводился с помощью датчиков часового типа. Нагруже-ние ТБ осуществлялось равномерно распределенной нагрузкой с помощью специальных устройств и приспособлений. Как известно, существуют различные способы приложения равномерно распределенной нагрузки к испытуемым образцам [7, 8]. По мнению авторов, наиболее приемлемым из них является метод создания давления воздухом или жидкостью (например, водой).
1
—1 I-I
б
Рисунок. Конструктивная схема (а) и внешний вид (б) установки для поперечного изгиба ТБ: 1 — самописец «Эндим 621.02»; 2 — стрелочные индикаторы типа ИЧ; 3 — тензодатчики; 4 — тензостанция ZETLAB; 5 — металлические брусья;
6 — ТБ; 7 — образцовый манометр типа 0БМ-06; 8 — редуктор; 9 — компрессор; 10 — эластичная камера; 11 — стальная плита; 12 — ребра жесткости
Результаты исследований ТБ с пирамидальным заполнителем на поперечный изгиб при шарнирном/жестком закреплении кромок
Р, кПа ю, мкм А», % Ш2шах, МПа Ас12шах, % ю, мкм А», % ^12шах, МПа Ас12шах, % ю, мкм А», % ^12шах, МПа Ас12шах, %
L = 0,45 м L = 0,64 м L = 0,72 м
Алюминиевая фольга
1 5/ 1,81 16,56/ 16,58 0,3769/ 0,12 15,97/ 9,51 10,1/ 3,85 13,66/ 20 0,5355/ 0,18 13,04/ 15,25 12,8/ 3,99 17,42/ 9,52 0,6121/ 0,19 15,25/ 9,1
2 10/ 3,69 16,56/ 18,16 0,7350/ 0,22 13,81/ 3,21 19,8/ 7,38 11,93/ 16,53 1,0657/ 0,35 12,61/ 10,8 23/8 8,09/ 9,75 1,1569/ 0,4 10,32/ 13,42
3 14/ 5,03 10,6/ 9,94 1,0404/ 0,36 8,66/ 12,06 30/ 11,59 12,8/ 20,28 1,6386/ 0,56 14,75/ 17,99 38,4/ 12,11 17,42/ 10,57 1,867/ 0,57 16,64/ 9,09
4 19/ 7,14 12,17/ 15,41 1,447/ 0,46 12,47/ 9,03 41/ 15,94 14,93/ 22,31 2,142/ 0,76 13,04/ 19,12 50/ 16,96 15,44/1 4,86 2,4486/ 0,78 15,25/ 11,74
5 27/ 9,68 22,74/ 22 1,9224/ 0,51 17,62/ 14,64 53/ 18,23 17,74/ 15,52 2,7311/ 0,94 14,75/ 17,4 65/ 19,96 18,69/ 9,70 3,1219/ 0,98 16,92/ 12,59
6 29/ 10,97 13,68/ 17,41 2,1976/ 0,7 13,52/ 11,14 58/ 22,01 9,79/ 16,04 3,1541/ 1,1 11,42/ 16,65 71/ 23,93 10,68/ 9,49 3,6606/ 1,12 14,92/6 ,92
7 37/ 12,67 21,07/ 16,58 2,6763/ 0,83 17,15/ 12,03 70/ 26,88 12,92/ 19,79 3,7967/ 1,27 14,15/ 15,26 90,6/ 28,08 18,33/ 10,01 4,3768/ 1,33 17,03/ 9,74
8 41/ 15,68 18,6/ 22,96 3,0532/ 0,98 17/ 14,84 83/ 31,03 15,95/ 20,59 4,2787/ 1,43 12,94/ 14,07 99,1/ 32,91 14,67/ 12,25 4,891/ 1,51 15,15/ 9,09
9 43/ 16,39 16,56/ 17,08 3,3548/ 1,07 15,02/ 12,62 89/ 33,7 11,82/ 17,75 4,8189/ 1,63 13,03/ 15,16 111/ 34,99 14,3/ 7,15 5,5031/ 1,74 15,16/ 11,07
10 51/ 18,19 18,2/ 16,99 3,8259/ 1,17 17,21/ 11,29 104/ 37,14 16,15/ 17,14 5,4621/ 1,79 14,75/ 13,97 119/ 40 11,18/ 9,75 5,9989/ 1,91 13,52/ 9,99
Сплав Д-16
1 4,46/ 1,52 9,64/ 9,86 0,3512/ 0,11 9,91/ 7,24 9,28/ 2,99 9,05/ 6,39 0,4986/ 0,17 6,64/ 6,54 4,28/ 3,93 6,38/ 16,01 0,5606/ 0,20 7,4/ 13,04
2 8,72/ 3,12 7,57/ 12,18 0,7727/ 0,25 18,1/ 15,67 18,96/ 6,01 10,92/ 6,86 0,9723/ 0,35 4,15/ 10,99 23,5/ 7,46 10,13/ 11,69 1,1216/ 0,37 7,41/ 5,99
3 13/ 4,46 7/ 7,85 1,001/ 0,34 5,7/ 12,14 27,3/8, 99 7,25/ 6,6 1,3412/ 0,51 4,23/ 9,24 32,84/ 10,81 6,27/ 8,75 1,3738/ 0,57 10,4/ 10,04
4 17,28/ 6,07 6,72/ 9,72 1,44/ 0,45 12,11/ 7,23 38,37/ 11,96 9,66/ 6,38 1,8747/ 0,66 5,77/ 6,31 45,42/ 14,72 7/ 10,65 2,2404/ 0,77 8,55/ 10,12
5 24/ 7,66 16,04/ 10,57 1,8615/ 0,58 15,01/ 9,05 46,4/ 15,96 9,17/ 12,26 2,473/ 0,86 5,79/ 10,14 56,4/ 17,89 6,38/ 8,11 2,7973/ 0,97 7,22/ 11,09
6 26,2/ 9 7,7/ 8,67 3,1776/ 0,69 12,82/ 9,46 57,8/ 17,17 12,38/ 12,18 2,9866/ 0,07 6,39/ 4,15 69,1/ 21,58 8,31/ 8,58 3,5699/ 1,15 10,25/ 9,89
7 32,1/ 11,14 12,12/ 13,91 2,4761/ 0,81 10,55/ 9,81 65,51/ 20,99 9,82/ 6,66 3,5399/ 1,15 10,59/ 6,28 79,96/ 25,48 7,55/ 9,67 3,896/ 1,36 6,76/ 10,49
8 34,68/1 2,33 7,04/ 11,11 2,7958/ 0,94 9,46/ 10,59 75,24/ 24,08 10,26/ 7,01 4,0635/ 1,34 8,26/ 7,81 93,46/ 28,01 9,59/ 9,33 4,5407/ 1,54 8,55/ 10,93
9 39,25/ 14,33 7,59/ 12,62 3,1576/ 1,04 9,81/ 9,74 80,43/ 26,68 5,56/ 5,58 4,587/ 1,48 8,57/ 6,33 100,43/ 32,17 5,37/ 8,01 4,9892/ 1,74 6,37/ 10,97
10 44,6/ 9,64/ 3,5298/ 10,36/ 93,33/ 10,52/ 5,0856/ 8,37/ 113,37/ 6,82/ 5,3704/ 3,35/
При проведении экспериментальных исследований равномерно распределенное нагруже-ние осуществлялось давлением воздуха. Схема установки для поперечного изгиба ТБ и ее внешний вид приведены на рисунке. Установка собрана на стальной плите 11 с ребрами жесткости 12, расположенными снизу плиты. Испытуемая ТБ 6 устанавливалась на плите между ограничивающими металлическими брусьями 5, закрепленными на плите. Между плитой и балкой располагалась камера 10 из эластичного материала. Давление в камере создавалось компрессором 9 типа С027Б через редуктор 8 и измерялось образцовым манометром 7 типа 0БМ-0,6. Очевидно, что давление в камере равномерно передавалось балке.
Измерение перемещений балки осуществлялось в трех точках вдоль нее с помощью стрелочных индикаторов 2 часового типа (ИЧ), которые располагались на верхнем и нижнем несущих слоях ТБ. Контакт индикаторов с нижней гранью осуществлялся с помощью иглы, опущенной через отверстие диаметром 0,5 мм. Такое отверстие практически не сказывается на прочностных параметрах образцов.
Измерение деформации несущих слоев ТБ осуществлялось с помощью наклеенных на них тензодатчиков 3, которые подключались к тен-зостанции 7Е^АВ 4. Выходные сигналы с нее поступали на самописец «Эндим 621.02» 1 и персональный компьютер. Таким образом, осуществлялась непрерывная регистрация деформаций.
Испытывалось три серии ТБ с высотой дискретного заполнителя 5, 7, 8 см и площадью основания отдельной ячейки 3x3, 4x4, 4x4 см2 соответственно. Длина балок L для дискретного заполнителя высотой 5, 7 и 8 см составляла соответственно 45, 64 и 72 см. Несущие слои изготовлялись из сплава АМг6М. Сборка ТБ выполнялась с помощью эпоксидного клея ЭД-20.
Экспериментальные исследования проводились при двух видах крепления кромок ТБ — шарнирном и жестком (крепление осуществлялось по обоим несущим слоям ТБ). Давление воздуха при испытаниях изменялось от 0 до 1-104 Па. В ходе эксперимента одновременно измерялись смещение концов ТБ и расстояние между несущими слоями. Нагрузка Р изменялась в пределах упругой зоны работы ТБ, т. е. после ее снятия остаточная деформация балки не наблюдалась. Результаты исследований ТБ с пирамидальным заполнителем из алюминиевой фольги и сплава Д-19, шарнирно опертой и жестко защемленной по кромкам, при поперечном изгибе приведены в таблице, где ш — прогиб ТБ; 012шах — напряжение, возникающее в верхнем несущем слое ТБ; Дю и Д012шах — расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями параметров ю и опшах соответственно.
Выводы
1. Исследования ТБ с пирамидальным заполнителем из алюминиевой фольги и сплава Д-19 при продольном изгибе позволили установить, что у балки, шарнирно опертой по кромкам, расхождение теоретических и экспериментальных значений прогибов не превышало соответственно 23 и 17 %, а у жестко защемленной — 23 и 14%.
2. Аналогичное различие наблюдалось между теоретическими и экспериментальными значениями напряжений в несущем слое [9-10], что объясняется неодинаковыми прочностными свойствами алюминиевой фольги и сплава Д-19.
3. Результаты исследований показали, что предложенный вариант сот можно применить в качестве дискретного заполнителя для ТК.
Литература
[1] Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске
оптимальных условий. Москва, Наука, 1976. 297 с.
[2] Ильдияров Е.В. Экспериментально-теоретические исследования напряженно-дефор-
мированного состояния трехслойной кровельной панели с ортотропным средним слоем. Строительная механика и расчет сооружений, 2011, № 6, с. 11.
[3] Панин В.Ф. Сотовые конструкции. Москва, Машиностроение, 1982. 153 с.
[4] Прохоров Ю.Ф., Дерющев В.В. Влияние технологических дефектов на несущую
способность трехслойных конструкций. Технология судостроения, 1981, № 10, с. 25-29.
[5] Устарханов О.М., Алибеков М.С., Устарханов Т.О. Экспериментальное исследование
прочности конического заполнителя для трехслойных конструкций. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2014, № 9, с. 54-59.
[6] Устарханов О.М., Муселемов Х.М., Устарханов Т.О. Экспериментальные исследования
влияния клея и размеров ячейки на несущую способность трехслойных балок. Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Технические науки, 2012, № 2, с. 91-95.
[7] Устарханов О.М., Устарханов Т.О., Муселемов Х.М. Экспериментальные исследования
влияния клея на несущую способность трехслойных балок. Вестник ДГТУ, 2011, № 20, с. 86-93.
[8] Устарханов О.М., Муселемов Х.М., Акаев Н.К. Исследования влияния температуры на не-
сущую способность клееных трехслойных балок. Вестник ДГТУ, 2011, № 22, с. 127-132.
[9] Устарханов О.М., Кобелев В.Н., Кобелев В.В., Абросимов Н.А. Анализ эксперименталь-
ного исследования трехслойных балок с металлическим сотовым заполнителем и композиционными несущими слоями. Сб. Междунар. науч.-техн. конф. Современные научно-технические проблемы гражданской авиации, Москва, МГТУГА, 1999, с. 32-33.
[10] Устарханов О.М., Булгаков А.И., Муселемов Х.М., Устарханов Т.О. Расчет трехслойных балок с учетом клеевого шва по методу конечных элементов с помощью ПК ЛИРА. Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Технические науки, 2012, № 5, с. 69-72.
References
[1] Adler Iu.P., Markova E.V., Granovskii Iu.V. Planirovanie eksperimenta pri poiske opti-
mal'nykh uslovii [Planning experiment in the search for optimal conditions]. Moscow, Nauka publ., 1976. 297 p.
[2] Il'diiarov E.V. Eksperimental'no-teoreticheskie issledovaniia napriazhenno-deformiro-
vannogo sostoianiia trekhsloinoi krovel'noi paneli s ortotropnym srednim sloem [Experimental and theoretical studies of the stress-strained state of sandwich roofing panels with the middle layer orthotropic]. Stroitel'naia mekhanika i raschet sooruzhenii [Building mechanics and calculation of structures]. 2011, no. 6, 11 p.
[3] Panin V.F. Sotovye konstruktsii [Honeycomb structures]. Moscow, Mashinostroenie publ.,
1982. 153 p.
[4] Prokhorov Iu.F., Deriushchev V.V. Vliianie tekhnologicheskikh defektov na nesushchuiu
sposobnost' trekhsloinykh konstruktsii [Influence of processing defects on the bearing capacity of sandwich constructions]. Tekhnologiia sudostroeniia [Shipbuilding Technology]. 1981, no. 10, pp. 25-29.
[5] Ustarkhanov O.M., Alibekov M.S., Ustarkhanov T.O. Eksperimental'noe issledovanie
prochnosti konicheskogo zapolnitelia dlia trekhsloinykh konstruktsii [Experimental study of the strength of a conical core in sandwich structures]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie [Proceedings of Higher Educational Institutions. Маchine Building]. 2014, no. 9, pp. 54-59.
[6] Ustarkhanov O.M., Muselemov Kh.M., Ustarkhanov T.O. Eksperimental'nye issledovaniia
vliianiia kleia i razmerov iacheiki na nesushchuiu sposobnost' trekhsloinykh balok [Experimental Investigations of Glue and Sells Sizes Influense on the Load-Carrying Capacity of Three-Layer Beams]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii Severo-Kavkazskii region. Tekhnicheskie nauki [University News North-Caucasian Region. Technical Sciences Series]. 2012, no. 2, pp. 91-95.
[7] Ustarkhanov O.M., Ustarkhanov T.O., Muselemov Kh.M. Eksperimental'nye issledovaniia
vliianiia kleia na nesushchuiu sposobnost' trekhsloinykh balok [Experimental Investigations of Glue Influense on the Load-Carrying Capacity of Three-Layer Beams]. Vestnik DGTU [Vestnik of Daghestan State Technical University. Technical Science]. 2011, № 20, pp. 86-93.
[8] Ustarkhanov O.M., Muselemov Kh.M., Akaev N.K. Issledovaniia vliianiia temperatury na
nesushchuiu sposobnost' kleenykh trekhsloinykh balok. Vestnik DGTU [Vestnik of Daghestan State Technical University. Technical Science]. 2011, no. 22, pp. 127-132.
[9] Ustarkhanov O.M., Kobelev V.N., Kobelev V.V., Abrosimov N.A. Analiz eksperimental'nogo
issledovaniia trekhsloinykh balok s metallicheskim sotovym zapolnitelem i kompozitsionnymi nesushchimi sloiami [Analysis of the experimental study of sandwich beams with metal honeycomb core and composite bearing layers]. Sbornik Mezhdunarod-noi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Sovremennye nauchno-tekhnicheskie problemy gra-zhdanskoi aviatsii» [Collection of the International Scientific Conference Modern scientific and technical problems of civil aviation]. Moscow, MGTUGA publ., 1999, pp. 32-33.
[10] Ustarkhanov O.M., Bulgakov A.I., Muselemov Kh.M., Ustarkhanov T.O. Raschet trekhsloinykh balok s uchetom kleevogo shva po metodu konechnykh elementov s pomoshch'iu PK LIRA [Calculation of Three-Layer Beams Based on Adhesive Joint Finite Element Method with Through the LIRA]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii Severo-Kavkazskii region. Tekhnicheskie nauki [University News North-Caucasian Region. Technical Sciences Series]. 2012, no. 5, pp. 69-72.
Информация об авторах
УСТАРХАНОВ Осман Магомедович (Махачкала) — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Строительные конструкции и гидротехнические сооружения». Дагестанский государственный технический университет (367015, Махачкала, Российская Федерация, просп. Имама Шамиля, д. 70, e-mail: [email protected]).
МУСЕЛЕМОВ Хайрулла Магомедмурадович (Махачкала) — старший преподаватель кафедры «Строительные конструкции и гидротехнические сооружения». Дагестанский государственный технический университет (367015, Махачкала, Российская Федерация, просп. Имама Шамиля, д. 70, e-mail: [email protected]).
УСТАРХАНОВ Тагир Османович (Махачкала) — инженер кафедры «Строительные конструкции и гидротехнические сооружения». Дагестанский государственный технический университет (367015, Махачкала, Российская Федерация, просп. Имама Шамиля, д. 70, e-mail: [email protected]).
Статья поступила в редакцию 14.12.2015 Information about the authors
USTARKHANOV Osman Magomedovich (Makhachkala) — Doctor of Science (Eng.), Professor, Head of Department of Building Structures and Hydraulic Engineering Installations. Dagestan State Technical University (367015, Makhachkala, Russian Federation, Imam Shamyl Ave., Bldg. 70, e-mail: [email protected]).
MUSELEMOV Hairulla Magomedmuradovich (Makhachkala) — Senior Lecturer, Department of Building Structures and Hydraulic Engineering Installations. Dagestan State Technical University (367015, Makhachkala, Russian Federation, Imam Shamyl Ave., Bldg. 70, e-mail: [email protected]).
USTARKHANOV Tagir Osmanovich (Makhachkala) — Engineer, Department of Building Structures and Hydraulic Engineering Installations. Dagestan State Technical University (367015, Makhachkala, Russian Federation, Imam Shamyl Ave., Bldg. 70, e-mail: [email protected]).
