МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА < 4 • 2008
УДК.620.192.7.+539.3
© 2008 г. В.Н. БАКУЛИН, А.В. ОСТРИК
НЕСТАЦИОНАРНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ ОБОЛОЧЕК
Представляются результаты экспериментальных исследований прочности композитных оболочек нитяной намотки к действию боковой нестационарной нагрузки. Кратко описываются устройства генерации импульсов давлений со сложным пространственно-временным профилем и средства измерения параметров реакции исследуемых объектов на динамическое и импульсное нагружения. Изучается влияние длительности воздействия и размеров области приложения давления на характер разрушения пустых и заполненных оболочек. Показывается, что на оболочечной стадии деформирования за критерий разрушения можно принять достижение максимальными окружными деформациями некоторого предельного уровня (порядка 2%). Предлагаются соотношения для оценки величины максимальной окружной деформации по характеристикам оболочки и параметрам нагрузки.
1. Введение. Широкое применение композитных материалов в несущих тонкостенных конструкциях летательных аппаратов (ЛА) обусловливает значительный интерес к исследованию характера и особенностей их деформирования и разрушения [1]. Осознание необходимости сохранения работоспособности этих конструкций в условиях воздействия интенсивных импульсных и динамических нагрузок различной физической природы [1-7] потребовало разработки специальных экспериментальных установок [2, 8], позволяющих проводить испытания натурных элементов конструкций ЛА с моделированием полетных условий [9, 10].
Целью настоящей работы является представление некоторых экспериментальных результатов исследований действия боковой нестационарной нагрузки на композитные оболочки нитяной намотки [1]. Эти результаты являются частью данных полученных в рамках общей методологии [11, 12] проведения испытаний на прочность композитных оболочек к механическому действию излучений (МДИ), и могут служить иллюстрацией многообразия и сложности задач, которые возникают при отработке прочности несущих элементов конструкций ЛА к нетрадиционным видам воздействий с высокой плотностью энергии.
2. Устройства воспроизведения механического действия излучений. Экспериментальные исследования последствий МДИ на элементы конструкций ЛА путем их непосредственного облучения не представляются возможными в связи с отсутствием мощных лабораторных источников излучения, способных генерировать необходимые плотности энергии на поверхностях с размерами порядка нескольких метров [8]. В большинстве случаев не удается получить достаточно надежных результатов и методами моделирования [13], поскольку требования совпадения критериальных параметров для модели и натурной конструкции практически сводятся к идентичности последних по абсолютным размерам и свойствам материалов. Так, например, если заряд топлива геометрически подобной модели твердотопливного реактивного двигателя ЛА имеет характерные размеры, не превышающие критического размера детонации, то при моделировании воспроизвести детонацию, вызванную воздействием механического импульса излучения,
Вид взрывного устройства Параметры нагрузки Назначение (моделируемые режимы воздействия)
ТР 1Р
Контактный секторный заряд 10-6-10 -5 0.8- 5 Моноимпульсное воздействие УФИ или РИ
Контактный светодетонирую- 2 ■ 10-7-10 -6 0.05- 2 Моноимпульсное воздействие РИ
щий заряд
Эквидистантно-поверхностный 10-5-2 ■ 10-4 0.3- 3 Моноимпульсное воздействие видимого
заряд или ИК излучений в воздухе
Объемно-распределенный заряд 10-4-5 ■ 10-4 0.1- 2 Моноимпульсное воздействие видимого
или ИК излучений в воздухе
Кумулятивный объемно-распре- 10-4-5 ■ 10-4 0.1- 2 Моноимпульсное кумулятивное воздействие
деленный заряд видимого или ИК излучений в воздухе
Ударная труба взрывного 5 ■ 10-5-2 ■ 10-4 0.5- 2 Импульсно-частотное резонансное воздей-
действия ствие видимого или ИК излучений в воздухе
Ударная труба взрывного 5 ■ 10-5-2 ■ 10-4 0.5- 2 Импульсно-частотное воздействие видимого
действия с насадками или ИК излучений в воздухе со сложным
пространственным профилем
Система вращающихся зарядов 10-4-2 ■ 10-4 0.5- 2 Многократное воздействие излучений на
высокотемпературные потоки
вообще невозможно, хотя для натурного двигателя она может иметь место. Аналогичные трудности возникают и при попытке моделирования нестационарных разрушений тонкостенных композитных корпусов нитяной намотки. Условие равенства относительных толщин h/R (h, R - толщина и характерный радиус кривизны оболочки) корпуса и его модели при неизменной толщине армирующей нити приводит к уменьшению числа слоев армирования у модели, что в свою очередь искажает характер и последовательность разрушения этих слоев. Поэтому основным методом исследования последствий МДИ в настоящее время являются испытания натурных конструкций ЛА при их нестационарном нагружении газодинамическими устройствами воспроизведения механического действия импульсных излучений [8-12, 14]. Возможности этих устройств представлены в таблице (где тр с - длительность нагрузки, Ip, кПа ■ с - импульс давления; УФИ - ультрафиолетовое излучение, РИ - рентгеновское излучение, ИК - инфракрасное).
3. Объекты исследований. В качестве объектов экспериментальных исследований были выбраны широко использующиеся в конструкциях ЛА оболочки типа "кокон" с фланцевыми соединениями на концах [1]. Силовая конструкция состояла из цельномо-танных днищ и цилиндрической части, образованных непрерывной намоткой жгута органопластика СВМ и связующего ЭДТ-10, причем днища получены только за счет намотки спиральных слоев, а цилиндрическая часть усилена кольцевыми слоями. Угол намотки спиральных слоев составлял 22.5° со схемой армирования от внутреннего радиуса оболочки: IIXIIX. По торцам оболочки встроены фланцы из стали 30ХГСА. Для обеспечения герметичности на всю внутреннюю поверхность оболочек наносится слой из резины, а крепление заполнителя к оболочкам осуществляется с помощью адгезионного слоя. Для обеспечения работы оболочек при значительных осевых нагрузках дополнительно наматываются узлы стыка из стеклопластика. Безразмерные параметры, характеризующие геометрию испытываемых оболочек, составляли h = h/R = 0.012, L/R = 1.85 (L, R, h - длина, радиус и толщина цилиндрической части оболочки, соответственно). Все испытываемые оболочки были изготовлены по единой технологии и подвергались одинаковым режимам термообработки, что позволило провести комплексное исследование их реакции на нестационарное нагружение.
4. Измерение параметров реакции. Существенной частью любой методики проведения испытаний являются методы измерения параметров реакции исследуемого объекта на внешнее воздействие. При исследовании процессов, протекающих в элементах конструкций в результате воздействия на них импульсных нагрузок, все измеряемые параметры можно условно разделить на две группы. Первая группа характеризует поведение испытуемой конструкции во время протекания в ней нестационарных процессов от воздействия. Вторая группа параметров характеризует дальнейшее состояние объекта во время его функционирования после нестационарного воздействия. Выбор и разработка методов измерений параметров второй группы осуществляется на этапе отработки ЛА при исследовании способности изделий выполнять свое функциональное предназначение и без учета каких-либо воздействий. Поэтому параметры этой группы специфичны для каждого объекта (например, при испытаниях работающих двигателей [15] к таким параметрам относятся: сила тяги, давление в различных точках камеры сгорания, температура корпуса), не имеют прямого отношения к испытаниям на нестационарные нагрузки и методы их измерений в настоящей работе не обсуждаются (они могут быть заимствованы из методик соответствующих функциональных испытаний элементов ЛА).
В качестве основных в первую группу входят напряжения и массовые скорости, нестационарные деформации, перегрузки на важных узлах ЛА, прогибы в процессе деформирования и остаточные прогибы при разрушении или упруго-пластическом деформировании конструкции (при металлическом несущем слое конструкции).
Методы измерения напряжений и массовых скоростей в фрагментах конструкций являются наиболее отработанными [16-20]. Для регистрации напряжений используются пленочные пьезодатчики на основе органической поликристаллической пленки толщиной 0.5-5 мкм с размерами чувствительного элемента 1 х 1 мм2, удельной емкостью 4060 пФ/мм2, внутренним сопротивлением 10 ГОм и диапазоном измерения от единиц до тысяч атмосфер [17]. Особенностью датчика является высокая чувствительность, широкий диапазон измерений, избирательность к отдельным компонентам тензора напряжений и возможность его установки между слоями конструкции в процессе намотки композиционной оболочки. Устанавливая пъезопленки в различных местах, можно контролировать действующую механическую нагрузку, определить затухание ударной волны по толщине оболочки, уточнить существующие критерии откола.
Измерение массовой скорости осуществляется электромагнитным методом, предложенным Е.К. Завойским и получившим развитие в работах [18, 19]. В сечениях образца, удаленных на разные расстояния от нагружаемой поверхности, размещаются П-образ-ные датчики из тонкой медной фольги (5 ~ 0.03 мм), перекладина которых является рабочей частью (длиной порядка 2.5 мм). Образец с датчиками помещается в постоянное магнитное поле таким образом, чтобы направления линий магнитной индукции, скорости фронта ударной волны и рабочие части датчиков были взаимно перпендикулярны. В результате волновых процессов датчик вовлекается в движение и пересекает магнитные линии. При этом скорость датчика, равная скорости вещества (датчик предполагается безынерционным), по закону электромагнитной индукции Фарадея пропорциональна наводимой в фольге ЭДС, регистрируя которую импульсным осциллографом, легко определить и саму скорость как функцию времени.
Измерение нестационарных деформаций осуществляется, как правило, электротен-зометрическим методом по схеме уравновешенного одинарного моста. В качестве измер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.