ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ....................................4
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ТРЕХСЛОЙНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ...............................7
И. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.......................18
111. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
КЛЕЕВОГО СЛОЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ И
БАЛКИ ТК.....................................28
1) Вывод системы уравнений равновесия оболочки ТК с учетом влияния клеевого слоя.......28
2) Дедукция системы уравнений равновесия балки ТК с учетом влияния клеевого слоя..........46
3) Пример расчета напряженно-деформированного состояния клеевого слоя балки ТК, воспринимающего нагрузку трех точек.....56
4) Влияния параметров слоев ТК на прочности 79
5) Приведение толщины клеевого слоя ТК.......93
6) Анализ расчетных результатов .............98
IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
КЛЕЕВОГО СЛОЯ ТК..........................102
1) Элементы планирования эксперимента ....102
2) Экспериментальные методики.............104
A) МЕТОД ФОТОУПРУГОСТИ.................104
B) МЕТОД ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ СПЕКЛ - СДВИГА ...................................... 125
C) МЕТОД ВНЕДРЕНИЯ ТЕНЗОДА ГЧИКА В КЛЕЕВОЙ СЛОЙ ГК ........................140
И) ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРЕНИЯ КЛЕЕВЫХ ШВОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КОНСТРУКЦИИ ......................................150
-2-
Е) АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 154
V. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТРЕХСЛОЙНОЙ
КОНСТРУКЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 156
1) Технологический процесс склеивания........156
2) Общий подход изготовления конструкции с сотовым заполнителем .......................158
3) Изготовления трёхслойных конструкций с обшивками из углепластика (УГ'П) и алюминиевым сотовым заполнителем (АЛСЗ) ............................................163
4) Рекомендация на технологии производства ТК .Л 68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................169
ПРИЛОЖЕНИЕ (1)...........................171
ПРИЛОЖЕНИЕ (2)...........................180
ЛИТЕРАТУРЫ...............................214
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
Применение высокопрочных сталей, армированных пластиков и других композиционных материалов на основе сверхпрочных непрерывных волокон или нитевидных кристаллов в тонкостенных подкрепленных конструкциях, работающих в условиях изгиба и сжатия, часто бывает неэффективным. Эго объясняется тем, что по условию прочности конструкции из этих материалов должны иметь очень малую толщину. Но при этом резко снижается момент инерции сечения пластины или оболочки, и конструкция, особенно при невысоких модулях упругости материала, имеет низкие критические напряжения потери устойчивости.
Этого недостатка лишены трехслойные пластины и оболочки. Трехслойная пластина, или оболочка, состоит из двух относительно тонких внешних слоев (называемых несущими) из высокопрочных материалов, связанных слоем заполнителя, толщина которого значительно больше толщины несущих слоев. Прочностные характеристики и плотность заполнителя, как правило, значительно ниже, чем у несущих слоев.
При использовании соответствующих материалов несущих слоев трехслойные пластины и оболочки могут обладать хорошими вибропоглощающими характеристиками, иметь необходимые звуко- и теплоизоляционные свойства, требуемую свето- и радиопрозрачность.
Расчетные нагрузки таких конструкций достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными. Однако разрушение
-4-
трехслойных конструкций (ТК) часто происходит не вследствие потери устойчивости, а при нагрузках значительно меньших, чем критические. При этом разрушение происходит в зонах, прилегающих к опорам, местах приложения сосредоточенных сил, т. е. в зонах, где определяющими являются краевые моменты и напряжения.
Цель работы.
Создание эффективных методов анализа напряженно-деформированного состояния в клеевых слоях (КС) трехслойных цилиндрических конструкций, выполненных из различных материалов, исследование закономерностей их сопротивления в основных случаях статистического нагружения и сравнение результатов расчета с существующими методиками. Проведение различных экспериментальных методов исследования напряженно-деформированного состояния КС ТК, а также оценка влияния различных марок клея для ТК на технологию производства ТК летательных аппаратов (ЛЛ).
Методика исследования.
Расчет прочности, жесткости и устойчивости технологических конструкций обычно связан с исследованием многократно статически неопределимых систем. Практически все примеры нагружения таких конструкций можно решить на основе теоремы о минимуме потенциальной энергии. Эта теорема, обладая значительной общностью, позволяет исследовать многие задачи равновесия упрутого тела.
Решения, получаемые таким методом, не всегда просты, а в сложных задачах расчёта трехслойных оболочек, пластин и баток
-5-
энергетический прием не только очень удобен, но иногда просто незаменим для получения расчетных зависимостей.
Экспериментальные методики включают в себя метод фотоупругости, исследование интерферометром спекл-сдвига (зреМе-зЬеаг), внедрение тензодатчика в клеевой слой ТК и снятие характеристик клеевых швов при изготовлении конструкций.
Научная новизна работы.
На основе использования теоремы о минимуме потенциальной энергии и вариационных принципов, построена система дифференциальных уравнений в частных производных для определения напряженно-деформированного состояния несущих слоев, заполнителя и клеевых слоев трехслойной
цилиндрической оболочки иод действием нагрузок.
- Используя пакет прикладных программ математического моделирования «Мар1еУ» реализован алгоритм расчёта напряженно-деформированного состояния элементов
трсхслойных цилиндрических оболочек и трехслойных балок.
Введена экспериментальная методика измерения
напряжений в КС внедренным в него тензодатчиком. Количественная оценка влияния использования различных марок клея при изготовлении клеевого слоя на получение требуемых прочностных характеристик ТК.
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ТРЕХСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Повышение эффективности современной техники неразрывно связано с поиском и реализацией новых конструктивнотехнологических решений. Одним из важных направлений в
этом поиске в конструкциях оболочечного типа (корпуса ракет, кораблей, вагонов; фюзеляжей и крыльев самолетов и вертолетов; кузова автомобилей и др.) является создание и все более широкое применение трехслойных конструкций (ТК).
Трехслойная конструкция представляет собой составную конструкцию, состоящую из двух несущих слоев, заполнителя, расположенного между несущими слоями, и элементов каркаса (окантовок, законцовок, накладок, книц и др.). Заполнитель соединяется слоями путем склейки, сварки или пайки. Внешние, так называемые несущие слои изготавливаются из прочных материалов ( стали, сплавов легких металлов, дерева, армированной волокном пластмассы, бетона или асбестоцемента и др. ). Несущие слои воспринимают продольные нагрузки ( растяжение, сжатие, сдвиг ) в своей плоскости и поперечные изгибающие моменты. Заполнитель -конструктивный элемент трехслойной конструкции, который изготавливается из относительно малопрочных материалов с малой
плотностью ( из пробки, резины, древесины, бальзы, пластмассы, вспененного полимерного материала, а также из легкого металла в форме сот, перемычек, гофрировки или другой конструкции ). Заполнитель воспринимает поперечные силы при изгибе трехслойной конструкции и обеспечивает совместную работу и устойчивость несущих слоев. Способность заполнителя воспринимать нагрузку в плоскости несущих слоев зависит от конструкции заполнителя и его жесткостных характеристик.
Трехслойные конструкции можно классифицировать по ряду
характерных признаков и свойств. По типу конструкции: панели,
балки, стенки, оболочки; по форме в плане: прямоугольные,
трапециевидные, круглые; по материалу несущих слоев и
заполнителя: металлические, неметаллические, в том числе и
композиционные, комбинированные; по технологии соединения
несущих слоев с заполнителем: клееные, паяные, сварные; по
толщине: постоянные, переменные; по структуре поперечного
сечения: симметричные, несимметричные. Если несущие слои
имеют одинаковую толщину и изготовлены из одинаковых
материалов, то конструкцию считают симметричной. У
несимметричных конструкций несущие слои имеют неодинаковую
толщину, изготовлены из разных материалов, т.е. асимметрия может
быть геометрической и физической. Применение несимметричных
-8-
по структуре ТК связано не только с требованиями получения конструкции минимальной массы, но и с функциональными свойствами, например, обеспечиваег минимальную теплопроводность, радиопрозрачность и др.
Существует большое разнообразие заполнителей, имеющих самые различные конструктивные формы и структуры: заполнители сплошной структуры, сотовой ячеистой структуры, гофровой структуры, стеночной и ферменной структуры и др.
Трехслойные конструкции, благодаря своим положительным качествам, широко применяются в различных отраслях народного хозяйства: в строительстве - для изготовления панелей, плит промышленных и общественных зданий, в производстве отделочных панелей, мебели; в судостроении - в надстройках и их элементах судов различных классов и типов; в самолетостроении - в узлах и агрегатах самолетов различных классов и назначения независимо от компоновочно - конструктивной схемы. Площадь поверхности таких конструкций в планере самолета достаточно велика. Трехслойные конструкции применяются в качестве силовых элементов в крыле, фюзеляже, оперении ( обшивка, лонжероны, шпангоуты, нервюры, стенки ), особенно в агрегатах, воспринимающих местную нагрузку
( закрылки, элероны, щитки, рули, различные обтекатели ) и ' поперечную распределенную нагрузку ( полы грузовой и пассажирской кабины, каналы воздухозаборника ), а также в качестве несиловых элементов ( детали интерьера, элементы крепления оборудования ). Трехслойные конструкции применяют также при изготовлении многих узлов и агрегатов самолетов и вертолетов, работающих в различных условиях. Трехслойные консфукции применяются и в конструкции ракет-носителей и космических аппаратах.
На наш взгляд, это объясняется тем, что применение высокопрочных сталей, титана и его сплавов, армированных пластиков и других композиционных материалов на основе сверхпрочных непрерывных волокон или нитевидных кристаллов в тонкостенных подкрепленных консфукциях, работающих в условиях изгиба и сжатия, часто бывает неэффективным, так как по условию прочности конструкции из этих материалов должны иметь очень малую толщину. Однако при этом резко снижается момент инерции сечения пластины или оболочки, и конструкция, особенно при невысоких модулях упругости материала, имеет низкие критические напряжения потери устойчивости. Этого недостатка лишены трехслойные пластины и оболочки, так как фехслойные
-10-
конструкции, обладая большей толщиной, имеют больший момент инерции.
Таким образом выявлены следующие основные преимущества трехслойных конструкций:
1. Малая масса по сравнению с традиционными типами подкрепленных пластин и оболочек при определенных размерах конструкции и типах материалов.
2. Технико-экономическая эффективность по сравнению с традиционными конструкциями:
- меньшая трудоемкость изготовления;
- меньшая энергоемкость технологических процессов;
- меньшая потребность в производственных площадях;
- экономия на себестоимости производства и эксплуатации;
экономия на капитальных вложениях, обусловленных
производством и эксплуатацией данного вида продукции.
3. Хорошие звуко- и теплоизоляционные свойства, свето- и радиопрозрачность, вибропоглощаюшие характеристики.
4. Высокий коэффициент внутреннего поглощения энергии: декремент колебаний на один-два порядка выше, чем у подкрепленных конструкций.(см. рис.1-1)
-11-
5. Выносливость слоистых панелей превышает выносливость ' панелей стрингерных конструкций.(см. рис. 1-2)
6. Большой срок службы за счет равномерного подкрепления несущих слоев, отсутствия заклепок, вызывающих концентрацию напряжений.
7. Применение трехслойных конструкций ( в том числе паяных и сварных ) позволяет ликвидировать операцию правки и устранить ко \ г центрацию напряже! шй.
8. Высокая технологичность, определяемая минимумом деталей, подаваемых на сборку, и возможность полной автоматизации процесса изготовления самих панелей.
9. Более гладкая поверхность. Высокие качества формы и аэродинамики поверхности.
10. Повышенная эксплуатационная надежность вследствие хороших усталостных характеристик и отсутствия концентраторов напряжений.
-12-
10 * ю2
10
ю* 10 і ід н
. Заоисимость предела выносливости от числа циклов до разрушения для различных типов конструкций:
/ — однослойного образца при раетяжении-сжэтик: 2 — тр^хслойного сварного образца РИ15-7М (США) при изгибе; 3 — трехслойио-го паяного образца с несущими слоями из стали С.Н-4 (СССР) при изгибе; 4 — трехслойиого паяного образца РН1&-7М (США) при изгибе
О 50 100 200 300 <,ч
. Зависимость уровня звукового давления, соответствующего разрушению конструкции, от времени акустического воздействия:
/ — стрингерная Ілодкреплечнзя панель с обшивкой из стали В НС-2; 2 — сотовая конструкция с несущими слоями из стали ВІЮ-2
Рис. 1-1 Рис. Г-2
Однако, трехслойные конструкции имеют и некоторые
недостатки:
- снижение прочности в процессе эксплуатации клеевых соединений за счет старения клея;
- жесткие требования к технологическому процессу и его стабильность;
- необходимость применения совершенных методов и аппаратуры для неразрушающего контроля соединений заполнителя с несущими слоями.
- отсутствие надежных методов нормирования допускаемых
дефектов ТК, особенно типа расслоения.
Созданию и применению трехслойных конструкций
предшествовало большое число теоретических и экспериментальных
исследований. Впервые грехслойная конструкция была применена в 1845 г. английским инженером Р. Стефенсоном при строительстве железнодорожного моста. В России первое исследование, посвященное выбору параметров ТК. было выполнено С.И. Зоншайном в 1928 г. В 40-х годах трехслойные панели начали применяться в конструкциях самолетов. В это же время разрабатывается теория расчета трехслойной конструкции. В 1946 году вышла работа [21], в которой разрабатывалась теория расчета на устойчивость обшивки с заполнителем. Дальнейшее развитие трехслойные конструкции получили в работах [18, 26, 27, 32, 33, 35], где созданы основы прикладной теории трехслойных пластин и оболочек. Были изготовлены первые трехслойные панели с сотовым заполнителем с несущими слоями из металла, создание которых позволило подтвердить предположение об эффективности применения трехслойных конструкций, расширило число решенных задач устойчивости и прочности ТК, т.е. было создано новое направление в строительной механике пластин и оболочек.
Наибольший вклад в области прочности и устойчивости
трехслойных пластин и оболочек внесла группа ученых из
Новосибирска: Э.И. Григолюк, А.Я. Александров, Л.М. Куршин,
Д.Э. Брюккср, П.П. Чулков и др. Х.М. Муиггари обоснованы
гипотезы расчета и строгие зависимости теории трехслойных
-14-
оболочек. Значителен вклад в теорию расчета трехслойных оболочек К.С. Голубева, В.И. Королева, Б.Я. Розендента, В.II. Карножицкого,
В.Г. Попова, Я.М.Григоренко, K.M. Иерусалимского, В.Е. Берсудского, Ю.А. Гладкова и др. Ученые ЦНИИСКа под руководством А.Б. Губенко опубликовали работы по методике расчета, теории и применению трехслойных пластин и оболочек в строительстве. Применение трехслойных конструкций в самолетостроении поставило перед наукой ряд задач, таких как влияние начальных геометрических несовершенств на прочность ТК, проблема определения температурных деформаций и учета несимметричности строения оболочек[5, 13, 14J. В работах [7, 16, 19] рассмотрены вопросы рационального проектирования агрегатов авиационных конструкций, выполненных из панелей с сотовым заполнителем. Описание методов расчета ТК на прочность и устойчивость достаточно подробно рассмотрены в работ&\[2, 8, 17, 22, 33, 35, 27].
Применение ТК в судостроении потребовало создания теории расчета подкрепленных ТК|3, 20]. В теории ТК для несущих слоев принимаются гипотезы Кирхгофа-Лява , для заполнителя - гипотеза прямой линии напряжения в срединной поверхности легкого заполнителя, которое (напряжение) считается равным нулю[32, 33].
-15-
Границы применимости этих допущений были рассмотрены в работах А.П.Прусакова, Л.Э.Брюккера, Д.Джерарда.
Перспективность трехслойных конструкций, связанная в первую очередь с их высокой относительной жесткостью и прочностью, определяет необходимость развития методов их расчета, проектирования и технологии производства.
Задачей данной работы является получение теоретических зависимостей расчета НДС (напряженно - деформированного состояния) трехслойных конструкций с учетом работы клеевого слоя на основе вариационного принципа Лагранжа; и проведение экспериментальных исследований на основе метода фотоупругости, метода интерферометрии и метода внедрения тензодатчика в клеевой слой для подтверждения теории, для подтверждения теории.
Существует несколько подходов к построению методики
расчета трехслойных конструкций. Некоторые авторы при
построении методики расчета НДС трехслойных конструкций,
рассматривают пакет слоев (приведенные характеристики),
используя простую математическую модель и получая при этом не
совсем точные результаты при напряжении и перемещении. В
настоящей работе при построении методики расчета НДС
трехслойных конструкций конструкция с учетом клеевого слоя была
разделена на составные части (т.с. заполнитель, несущие слоя и
-16-
клеевые слоя) и затем проанализирована деформирование каждой части посредством вариационного метода. Хотя при анализе частей ТК использовалась нетривиальная математическая модель и расчеты были сложными, точность расчетов оказалась значительно выше, чем при использовании теории приведения.
Много авторов фокусировали экспериментальное исследование просто на несущем слое ТК. так как исследование на несущем слое ТК проще, чем на клеевом слое.
В данной работе экспериментальные методики сосредоточивают внимание на напряжениях и деформациях прямо в клеевом слое ТК летательных аппаратов.
-17-
И. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В качестве примера рассматривается трехслойная конструкция, нагруженная распределенной но пролету нагрузкой с различными опираннями по кромкам: свободной и защемленной. В зависимости от распределения нагрузок были выделены 3 схемы работы ТК (см. рис. II-1):
Первая схема (1) - по гипотезе Кирхгофа, когда используется жесткий заполнитель, что приводит к отсутствию деформации поперечного сечения.
Вторая схема (2) - по гипотезе Найта (van der Neut), когда заполнитель работает лишь на сдвиг, в результате чего получается большая сдвиговая деформация по толщине.
Трегья схема (3) - по гипотезе промежуточной, когда заполнитель работает на сдвиг и на растяжение - сжатие, получаем деформацию, среднюю между схемами (1), (2).
-18-
z
Рис Л1-1 деформация трехслойной конструкции
-19-
- Київ+380960830922