CC BY
13
Сок 10.24411/2409-5419-2018-10291
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ВИДА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МОДЕЛЬНОГО ЗАМКНУТОГО КРЫЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
НЬЯН Мин Хтет1
ВОЛКОВ
Игорь Валентинович
Сведения об авторах:
1аспирант Московского физико-технического института (национального исследовательского университета), г. Жуковский, Россия, nyanminhtet@gmail.com
2к.т.н., старший научный сотрудник Московского физико-технического института (национального исследовательского университета), г. Жуковский, Россия, volkoviv39@mail.ru
АННОТАЦИЯ
Предмет. В работе исследовано напряженно-деформированное состояние модельного замкнутого крыла самолета методом экспериментально-расчетного анализа с использованием спекл-голографической интерферометрии. Цель. В результате исследования напряженно-деформированного состояния модели крыла раскрыть и наглядно продемонстрировать возможности экспериментально-расчетного анализа с использованием спекл-голографии. Методология. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния конструкций осуществлялось с использованием экспериментального нагрузочного устройства. Результаты. Разработан алгоритм экспериментально-расчетного анализа напряженно-деформированного состояния конструкций с использованием спекл-голографии и продемонстрированы результаты исследований на примере экспериментального нагрузочного устройства. Область применения полученных результатов. Результаты исследований могут быть использованы для разработки концепции силовой схемы летательного аппарата с замкнутой системой крыльев, которая считается конструктивно одной из наиболее перспективных, так как имеет много потенциальных достоинств, связанных с уменьшением его веса, повышением жесткости конструкции и уменьшением его деформаций, с возможностью непосредственного управления подъемной и боковыми силами. Выводы. Одним из наиболее важных аспектов спекл-голографической интерферометрии является качество получаемой спекл-голограммы, от которой во многом зависит ее дифракционная эффективность. При этом улучшение дифракционной эффективности при решении практических задач осуществляется благодаря подбору проявителя фотопластин, установке определенного времени экспозиции и выбору методики обработки фотопластин. Однако на практике нередко возникают проблемы получения максимальной дифракционной эффективности голограмм. Нами производился выбор проявителя, времени экспозиции, а также методики фотообработки спекл-голограмм во встречных пучках в процессе практического эксперимента. Практическая значимость. Описанная технология внестендовой регистрации спекл-голограмм может быть использована в процессе исследований напряженно-деформированного состояния натурных авиаконструкций в зонах концентрации напряжений, а также их выявления во время промышленных натурных испытаниях.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: напряженно-деформированное состояние; экспериментально-расчетный анализ; спекл-голографическая интерферометрия; модельное замкнутое крыло; конструкция летательных аппаратов; экспериментальное нагрузочное устройство.
Для цитирования: Ньян Мин Хтет, Волков И.В. Исследование напряженно-деформированного состояния и вида напряженного состояния модельного замкнутого крыла с использованием спекл-интерферометрии // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2019. Т. 11. № 6. С. 15-21. Сок 10.24411/2409-5419-2018-10291
/
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 6-2019 АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
Введение
Экспериментальное исследование НДС с использованием голографической интерферометрии при анализе напряженно-деформированного состояния конструкций имеет некоторые специфические особенности. Прежде всего, это связано с использованием испытательной техники, выполненной в виде экспериментального нагрузочного устройства, стенда или же вида промышленной испытательной машины, на которой закрепляется и подвергается нагружению испытываемая конструкция. Это положение наталкивается на трудности выполнения основного требования голографического процесса — обеспечения стационарности за время экспозиции всех компонент оптической схемы, включая конструкцию. При силовом воздействии на испытываемую конструкцию (чаще это производится электрогидравлическим способом) трудно, а порой невозможно, обеспечить механическую стабильность объекта за время экспозиции, исчисляемое при использовании непрерывных оптических квантовых генераторов секундами и даже минутами. Это осложняется тем, что испытательную машину с конструкцией в большинстве реальных испытаний невозможно разместить на оптической плите, используемой для виброизоляции оптической схемы. Особенно это касается крупногабаритных натурных конструкций. Такие трудности приводили к тому, что с помощью голографической интерферометрии вплоть до последнего времени натурные конструкции не исследовались.
Работы последних лет [1-8] показали, что трудности исследований натурных объектов преодолимы. При этом регистрирующие оптические схемы при определенных допущениях, имея малые размеры, компактно монтировались на испытываемой конструкции. Основание с регистрирующей оптической схемой жестко прикреплялось к конструкции или к испытательной машине. Причем, существующие вибрации, наводимые посторонними агрегатами, а также возникающие вследствие электрогидравлического действия машины при уменьшении их в разумных пределах позволяли получать с хорошей дифракционной эффективностью дифференциальные интерферограммы. Эта методика основывается на независимости разности хода лучей в оптической схеме, возникающей в эксперименте от допустимых колебаний источника излучения поверхности объекта.
Содержание
Концепция силовой схемы летательного аппарата (ЛА) с замкнутой системой крыльев считается конструктивно одной из наиболее перспективных. Конструкция самолёта с замкнутым крылом имеет много потенциальных достоинств, связанных с уменьшением его веса, повышением жесткости конструкции и уменьшением его дефор-
маций, с возможностью непосредственного управления подъемной и боковыми силами.
Преобразование ЛА к новой оптимальной рабочей конфигурации, при переходе от взлетно-посадочных режимов к полетным, может быть достигнуто путем разворота движителей относительно фюзеляжа ЛА, или путем изменения взаимного расположения агрегатов, вплоть до их полного смыкания, изменением углов стреловидности и крутки крыла, изменения длины и крутки лопастей винта и других преобразований [9-14].
На рис. 1 представлена модель самолета с такой конструктивной схемой. Испытание модели проводилось на испытательной машине «Инстрон 10000» со специально разработанной программой испытаний на изгиб по трехточечной схеме рис. 2.
Рис. 1. Установка испытания модели самолет: Р — нагрузка, L — база изгибающего момента крыла
Рис. 2. Схема испытаний модели
Порядок применения метода для регистрации НДС модельного замкнутого крыла самолета при изгибе
Используемый метод позволяет определить с одинаковой удовлетворительной точностью пространственные компоненты перемещений в одном эксперименте, по единой оптической схеме, на одной голограмме двойной экспозицией. Высокая чувствительность к трем составляющим вектора перемещений на освещаемой поверхности конструкции достигается за счет того, что на одной фотопластинке имеют место две интерференционные картины (спекл-голограммы двойной экспозиции), несущие раздельную информацию о нормальных и касательных перемещениях на поверхности конструкции.
Деформации натурной конструкции самолета имеют все компоненты в пространстве. Поэтому, для регистрации этих компонент использовался метод спекл-голографии во встречных пучках, позволяющий регистрировать все компоненты деформации и, V, м> на поверхности конструкции [1-6]. Таким образом, этот метод позволяет снимать полную информацию по всем компонентам на модельном крыле.
Рассмотрим примеры использования голографиче-ской интерферометрии при исследовании напряженно-деформированного состояния на крыле модели элементов конструкции при изгибе.
Ниже представлен пример регистрации деформаций в лабораторных условиях на испытательной машине «Инстрон 10000» модельного крыла самолета. Для работы на испытательной машине была составлена программа испытаний на изгиб с остановками на этапах нагружения для экспозиции фотопластинок и регистрации дифференциальных спекл-голограмм. В эксперименте мы использовали полупроводниковый лазер для освещения расширенным пучком исследуемого места крыла и высокоразрешающие фотопластинки ПФГ 03М. Для крепления фотопластинок на поверхности образца было разработано приспособление, максимально исключающее паразитное постороннее перемещение ее относительно деформируемой поверхности.
Испытания проводились в следующей последовательности. После установки нагрузки Р на первом регистрируемом этапе нагружения устанавливалась фотопластинка на исследуемое место на модельном крыле и производилась первая экспозиция спекл-голограммы. После этого, на следующем этапе нагружения Р2 осуществлялась вторая экспозиция этой спекл-голограммы без изменений в оптической схеме.
Фотохимическая обработка фотопластинок производилась проявителем ГП-3 при времени проявления 5 минут без закрепления с последующей промывкой.
В основе методики расшифровки интерферо-грамм, предложенной Е. Б. Александровым и А. М. Бонч-
Уо!
ф '
6-2019, H&ES RESE
AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
Бруевичем, лежит рассмотрение условий интерференции лучей, исходящих от 2-х тождественных точек поверхности. Пусть р0— орт освещающего пучка, рн — орт направления наблюдения, тогда суммарный сдвиг фаз 5 при смещении точки в направлении вектора и определится выражением:
5 = ПХ= Т и (0 +|5 н
где X — длина волны используемого излучения, п — порядковый номер полосы, проходящей через исследуемую точку при наблюдении интерферограммы.
Поэтому каждое наблюдение дает значение проекции вектора перемещения на биссектрису угла между направлениями освещения и наблюдения.
При изменении направления наблюдения полосы сместятся относительно поверхности объекта.
Результаты расчетно-экспериментального анализа
Р = 0,31 кН, I = 0,16 м, у = 0,00255 м
У =
P 513
2 48EJ
;3
Р 51 т
Ы = —.-= 25,9 Пахм2
2 48у
Таким образом, используя балочную теорию изгиба крыла, мы получили интегральную жесткость Ы крыла по экспериментальным данным прогиба у относительно фюзеляжа.
На рис. 3 представлено фото поверхностной интерфе-рограммы модельной части крыла при освещении спекл-голограммы во встречных пучках двойной экспозиции.
Рис. 3. Спекл-интерферограмма №4-11-01-2019 на крыле у фюзеляжа
Рис. 4. Интерферограмма и график перемещений Ж по стрелке на интерферограмме рис. 3
Легко видеть кривые густые полосы и их центр кривизны, указанный стрелкой, указывающей на центр изгиба.
Напряженно деформированное состояние в теории упругости описывается формулами при плоском изгибе:
^гди„ h /2 д ж vд и>
°х = Е[—- +-2 (—2---2 )],
дх 1 -V дх ду
^гдvn h /2 *д2ж vд2ж ° у = Е["г- + "-Г Ьт -
ду 1 - V ду
дх2
, = Gí ^+)],
ду дх 1 + V дхду
,, п/д2 ж vд2 ж
мх = -D(—2---Н,
х дх2 ду2
,, п/д2 ж vд2 ж мD( ^ —),
=D(1 дхду),
D = ЕЙ"/[12(1 -V2)]
где с., с^, т — нормальные и касательные напряжения в плоскости; и, V, V — пространственные перемещения в плоскости, Е, G — упругие константы, V — коэффициент Пуассона, D — жесткость при изгибе, к — толщина пластины.
Деформации при изгибе крыла по интерферограмме рис. 4 регистрируются с ценой полос wx = 0,3 мкм, (на 1мм= = 3 полосы):
в. = = 3 х 0,3мкм = о,9х 10-3 дх 1х10 мкм
Деформации в плоскости элемента крыла по спекл-голограмме № 4-11-01-2019 при фильтрации с ценой полос и. = 1,8 мкм и шагом А:
= -
ди и.
дх А 2,2х103 мкм
1,8мкм . = 0,818 х10-3
На рис. 5 представлена интерферограмма, полученная со спекл-голограммы № 1-10.01.2019 на крыле в указанной на фото зоне.
Рис. 5. Спекл-интерферограмма на крыле № 1-10.01.2019 в указанной на фото зоне
На рис. 6а представлено фото поверхностной интер-ферограммы на участке подкрепляющего элемента в зоне седловины перегиба (нулевая темная полоса) поверхности модельного замкнутого крыла. На рис. 6б представлены эпюры прогибов в этой зоне.
На рис. 7 представлена интерферограмма № 3-10.01.2019 прогибов в наблюдаемой зоне по спекл-голограмме на крыле.
а)
б)
Рис. 6. Интерферограмма а) и график б) перемещений W по голограмме № 1-10.01.2019
Vol
S/zK
Ф
6-2019, H&ES RESE
AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWAR
\\W N
Рис. 7. Спекл-интерферограмма № 3-10.01.2019 на крыле в указанной зоне на фото внизу
Заключение
Представленный материал исследования НДС модели крыла раскрывает возможности экспериментально-расчетного анализа с использованием спекл-голографии. Используемый метод позволяет определить с одинаковой высокой чувствительностью на микронном уровне пространственные компоненты перемещений и деформаций в отдельных местах натурных авиаконструкций.
Литература
1. Волков И. В. Измерение поля перемещений и деформаций натурного образца вблизи концентратора напряжений с помощью «Speckle» голографии // Проблемы прочности. 1975. № 9. С. 89-91.
2. Волков И. В. Применение спекл-голографии для измерения компонент деформаций натурных конструкций // Материалы 7 Всесоюзной школы по голографии (Ростов Великий, 14-23 января 1975). Ленинград: ЛИЯФ, 1975. С. 305-318.
3. Волков И. В. Внестендовая голография. Новые голо-графические и спекл- интерферометрические методы в экспериментальной механике // Известия ВУЗов. Поволжский регион. Технические науки. 2005. № 5 (20). С. 201-211.
4. Волков И. В. Использование метода спекл-голографии в экспериментальной механике // Измерительная техника. 2017. № 2. С. 42-46.
/
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 6-2019 АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
5. Волков И. В., Вышинский В. В., Кисловский А. О. Теоретические основы метода спекл-голографии в экспериментальной механике // Труды МФТИ. 2017. Т. 9. № 2. С. 13-22.
6. Волков И. В., Ньян Мин Хтет, Вей Хлэйн У, Тун Мин Лат. Определение физико-механических характеристик материалов при исследовании концентрациинапря-жений в образцах с отверстиями // Труды МФТИ, 2018. Т. 10. № 1. C. 68-74.
7. Ньян Мин Хтет, Тун Мин Лат, Вэй Хлэйн У, Волков И. В. Расчетно-экспериментальный метод анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) авиаконструкций // Труды МФТИ. 2018. Т. 10. № 4 (40). С. 131-136.
8. Волков И. В. Спекл-голография в экспериментальной механике. Пенза: Изд-во Пензенской государственной технологической академии, 2010. 199 с.
9. Semenov V. N. A comparison of the weight ration of the airframe designs of aircraft with a cantilever wing and with
a closed wing system: Technical Memorandum. 1985. Report number NASA TM-77842. Pp. 45-49.
10.Новосельцев С. В., Семенов В. Н. Исследование аэродинамических и прочностных характеристик самолета с замкнутой бипланной системой крыльев // Техника воздушного флота. 1984. № 7. С. 1-5.
11.Malchevsky V. V. The design of very large commercial transport aircraft with nontraditional configuration. ISTS501-98. Moscow, 2001. Pp. 78-79.
12. Сауpин В. В., Семенов В. Н. Оптимизация формы замкнутой балочной структуры под распределённую нагрузку // Ученые записки ЦАГИ. 1992. Т. 23. № 3. C. 85-93.
13. Семенов В. Н. Конструкции самолетов замкнутой и изменяемой схем. М.: ЦАГИ, 2006. 228 с.
14. Мовчан А. А., Со Ньюнт, Семенов В. Н. Проектирование силовозбудителя крутящего момента из сплава. М.: ЦАГИ, 2006. С. 102-104.
15. ГуревичМ.М. Фотоматерия. Л.: Энергоатомиздат, 1983. С. 98-99.
STUDY OF STRESS-STRAIN STATE AND TYPE OF STRESS STATE
OF A CLOSED MODEL OF THE WING USING SPECKLE INTERFEROMETRY
NYAN MIN HTET
Zhukovsky, Russia, nyanminhtet6gmail.com
IGOR V. VOLKOV
Zhukovsky, Russia, volkoviv39@mail.ru
KEYWORDS: stressed-deformed state; experimental and computational analysis of speckle holographic interferometry; model closed wing; design aircraft; the experimental load device.
ABSTRACT
Object. In this work, the stress-strain state of the model closed wing of the aircraft is investigated by experimental and computational analysis using speckle-holographic interferometry. Purpose. As a result of the study of the wing model, to reveal and demonstrate the possibilities of experimental and computational analysis using speckle holography. Methodology. Experimental study of the stressstrain state of structures was carried out using an experimental load device. Results. An algorithm for experimental and computational analysis of the stress-strain state of structures using speckle holography is developed and the results of studies are demonstrated on the
example of an experimental load device. Scope of the results. The research results can be used to develop the concept of the power circuit of the aircraft with a closed system of wings, which is structurally one of the most promising, as it has many potential advantages related to the reduction of its weight, increase stiffness and decrease deformations, with the possibility of direct control of lift and side forces. Summary. One of the most important aspects of speckle holographic interferometry is the quality of the resulting speckle hologram, on which its diffraction efficiency largely depends. At the same time, the improvement of diffraction efficiency in solving practical problems is carried out due to the selection of the developer of pho-
I iff/ j'.il //,'/
Vol 11 No 6-2019, H&ES RESEARC
AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
%
tographic plates, the installation of a certain exposure time and the choice of methods of processing photographic plates. However, in practice, there are often problems of obtaining the maximum diffraction efficiency of holograms. We made the choice of developer, exposure time, as well as methods of photo processing of speckle holograms in counter beams in the course of practical experiment. Practical significance. The described technology unextendable registration of speckle holograms can be used in the research process VAT field aviakonstruktor in the zones of stress concentration, as well as their identification during the industrial field tests.
REFERENCES
1. Volkov I. V. Izmerenie polya peremeschenij i deformacij naturnogo obrazca vblizi koncentratora napryazhenij s pomosch'yu "Speckle" golografii [The Measurement of displacement field and strain field of the specimen close to the hub of voltages, using the "Speckle" of holography]. Problemy prochnosti [Strength of Materials]. 1975. No. 9. Pp. 89-91.
2. Volkov I. V. Primenenie spekl-golografii dlya izmereniya kompo-nent deformacij naturnyh konstrukcij [Application of speckle holography for measurement of components of deformations of full-scale structures]. Materialy 7 Vsesoyuznoj shkoly po golografii [Proc. of the 7 all-Union school of holography of the USSR, Rostov, January 14-23, 1975]. Leningrad: LIAP Publ., 1975. Pp. 305-318.
3. Volkov I. V. Vnestendovaya golografiya. Novye golografichesk-ie i spekl- interferometricheskie metody v "eksperimental'noj me-hanike [Holography. New holographic and speckle interferometric methods in experimental mechanics]. University proceedings. Volga region. Technical sciences. 2005. No. 5 (20). Pp. 201-211.
4. Volkov I. V. Using the speckle holography method in experimental mechanics. Measurement techniques. 2017. Pp. 161-165.
5. Volkov I. V., Vyshinsky V. V., Kislovskiy O. A. Theoretical bases of the speckle-holography method in experimental mechanics. Proceedings of MIPT. 2017. Vol. 9. No. 2. Pp. 13-22.
6. Volkov I. V., Nyan Min Htet, Wai Hlaing Oo, Tun Min Lat. Determination of physical and mechanical characteristics of materials in the study of the concentration of stresses in samples with holes. Pro-
ceedings of MIPT. 2018. Vol. 10. No. 1. Pp. 68-74.
7. Nyan Min Htet, Tun Min Lat, Wai Hlaing Oo, Volkov I. V. Calculation-experimental method of analyzing stress-strain state of aviakonstruktor. Proceedings of MIPT. 2018. Vol. 10. No. 4 (40). Pp. 131-136.
8. Volkov I. V. Spekl-golografiya v "eksperimental'noj mehanike [Speckle-holography in experimental mechanics]. Penza: Penza state technological Academy Publ., 2010. 199 p.
9. Semenov V. N. A comparison of the weight ration of the airframe designs of aircraft with a cantilever wing and wing with a closed system: Technical Memorandum. 1985. Report number NASA TM-77842. 1985. Pp. 45-49.
10. Novoseltsev S. V., Semenov V. N. Issledovanie a'erodinamich-eskih i prochnostnyh harakteristik samoleta s zamknutoj biplannoj sistemoj kryl'ev [Study of aerodynamic and strength characteristics of the aircraft with a closed biplane wing system]. Tehnika vozdush-nogo flota [Equipment of air fleet]. 1984. No. 7. Pp. 1-5.
11. Malchevsky V. V. The design of the very large commercial transport aircraft with nontraditional configuration, ISTS501-98. Moscow, 2001. Pp. 78-79.
12. Saurin V. V., Semenov V. N. Optimization of the form of a closed beam structure under a distributed load. Uchenyezapiski TsAGI [TsA-GI Science Journal]. 1992. No. 3. Pp. 85-93.
13. Semenov V. N. Konstrukcii samoletov zamknutoj i izmenyaemoj shem [Aircraft design a closed-loop and variable schemes]. Moscow: TSAGI, 2006. 228 p.
14. Movchan A. A., So Nyunt, V. N. Proektirovanie silovozbuditelya krutyaschego momenta izsplava [Semenov Design Energizer torque of the alloy]. Moscow: TSAGI, 2006. Pp. 102-104.
15. Gurevich M. M. Fotomateriya [Fotomature]. Leningrad: Energoat-omizdat, 1983. Pp. 98-99.
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Nyan M.H., Postgraduate student of the Department of strength of
aircraft of Moscow Institute of Physics and Technology;
Volkov I.V., PhD, Senior researcher of the Department of Applied
mechanics and Informatics of the Moscow Institute of Physics and
Technology.
For citation: Nyan Min Htet, Volkov I.V. Study of stress-strain state and type of stress state of a closed model of the wing using speckle inter-ferometry. H&ES Research. 2019. Vol. 11. No. 6. Pp. 15-21. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10291 (In Russian)
