Статические испытания

Известные способы воспроизведения поверхностных нагрузок при обычных статических испытаниях в большинстве случаев основаны на замене распределенных сил (натурные условия работы) системой элементарных сосредоточенных сил (стендовые условия испытаний). Такие силы передаются на обшивку обычно при помощи парусиновых лямок (рис. 2.5) с использованием рычажных систем, каждая из которых может объединять десятки элементарных сосредоточенных сил (рис. 2.6).

Рассмотрим пример расчета рычажной системы. При деформации испытуемой конструкции рычаги поворачиваются по направлению Действия моментов внешних сил. При этом в их шарнирах возникают Моменты трения т, знаки которых противоположны знакам изгибающего и крутящего моментов, действующих на испытуемую конструкцию (рис. 2.7,а).

Появление моментов трения приводит к уменьшении момента, передаваемого на испытуемую конструкцию, на величину

где k — число шарниров в рычагах, объединяющих элементарные силы, на рассматриваемой части конструкции; m_i — момент трения в i -м шарнире; l_i — косинус угла между векторами момента m_i и момента, действующего на испытуемую конструкцию.

Момент М_тр для плоской рычажной системы будем определять в условиях, когда

Поворот рычага происходит без вращения тяг в его шарнирах до тех пор, пока смещение равнодействующей силы (см. рис. 2.1,а) не приведет к возникновению момента тр, равного сумме моментов трения во всех его шарнирах:

Этот момент уравновешивается за счет изменения сил, действующих на плечи рычага Р\ и Р2, на величину

где L — расстояние между крайними шарнирами рычага.

Момент трения в шарнире m (рас. 2.7, б) можно определить по формуле

где — коэффициент трения; d — диаметр болта.

Для рычагов из прокатной стали (уголок, швеллер и др.) со стальными болтами = 0,3 ÷0,5.

Если диаметры крайних болтов одинаковы, т.е. d₁=d₂, используя уравнения (2.3) и (2.5), найдем

где d_cp и d_кр — диаметры болтов среднего и крайнего шарниров.

Для многоярусной системы (см. рис. 2.6) сумма P_срi,- для всех рычагов любого j-го яруса равна Р_ср рычага 1-го яруса:

где n — число рычагов в ярусе; j — номер яруса.

Для симметричной системы с равноплечими рычагами

Если подобрать болты рычажной системы из условия работы их на срез (), то при одинаковом допустимом касательно!! напряжении тдоп для всех болтов получим

откуда

Так как в симметричной системе количество рычагов в любом j-ом ярусе равно n=2^j-1, то

Тогда

Из (2.11) и (2.12) найдем моменты трения в шарнирах рычажного j-го яруса

а в шарнирах всей системы

Воспользовавшись формулой для суммы s членов геометрической прогрессии, получим окончательно

где s — число ярусов.

Формулу (2.15) можно записать и так:

Где

Графическая интерпретация формулы (2.17) представлена на рис. 2.8. Она показывает, что момент трения рычажной системы с болтами, подобранными из условия работы на срез, определяется в основном несколькими первыми ярусами. Для предельного случая системы с бесконечным числом ярусов s = ∞, µ(∞)=3,41, а для пяти первых ярусов µ(s) = 2,81, т.е. µ(s)=0,82µ(∞).

Для ориентировочной оценки момента трения рычажной системы можно принять

Полагая µ = 0,4, получаем

т.е. при больших углах поворота рычагов системы ее равнодействующая будет смещаться примерно на диаметр среднего болта рычага первого яруса.

Приложение большого количества сосредоточенных сил (с помощью парусиновых лямок) начинает заметно искажать температурные поля при тепломеханических испытаниях ЛА, а при испытаниях элементов конструкции с теплозащитным покрытием оно становится практически невозможным. Уменьшение же числа элементарных сосредоточенных сил вызывает возрастание их значений, и возникав опасность разрушения конструкции в местах крепления лямок. В связи с этим к устройствам для приложения силовых нагрузок к нагревам поверхностям при

тепломеханических испытаниях предъявляются следующие довольно противоречивые требования:

— не искажать температурное иоле в испытуемой конструкции;

— не изменять прочность и жесткость конструкции;

— не препятствовать деформациям конструкции во время испытаний. Создать универсальное устройство, удовлетворяющее требованиям теплостатических испытаний, до сих пор не удалось. Обычно узлы для приложения силовой статической нагрузки должны устанавливаться на конструкции, предназначенной для теплостатических испытаний, в процессе ее изготовления.

Для приложения нагрузок вблизи силовых элементов каркаса могут быть использованы приспособления, показанные на рис. 2.9, а и б.

Приложение силовой статической нагрузки к обшивке может осуществляться за счет использования металлических лямок, которые кренятся при помощи точечной электросварки (рис. 2.J0). Однако такие лямки препятствуют как лучистому, так и конвективному теплообмену и могут быть рекомендованы только для испытаний при стационарном температурном режиме.

Из применяемых в настоящее время средств воспроизведения механических нагрузок можно отметить три основных вида (рис. 2.11): грузовые нагружатели, винтовые нагружатели и нагружатели на пневмо- или гидроцилиндрах.

Механические статические нагрузки могут подразделяться на постоянные или медленно изменяющиеся (табл. 2.1).

В тех случаях, когда объектом испытаний на одновременное воздействие тепловых и силовых нагрузок являются элементы тепловой защиты КЛА, применяют вакуумные системы — так называемые ваку-

умные присоски, которые позволяют создать на поверхности конструкции распределенные нагрузки (рис. 2.12) или силовые системы с наддувом — резиновые мешки (рис. 2.13).

На рис. 2.14 показано устройство для испытания многослойной оболочки КЛА с теплозащитным покрытием. На силовой раме 1 закрепляется испытуемая конструкция 2 с теплозащитными элементами 3. Во внутреннюю полость помещают ферромагнитный наполнитель 4. При включении электромагнитного силовозбудителя (ЭМС) 5 под воздействием электромагнитного поля ферромагнитный наполнитель будет притягиваться к ЭМС и нагружать внутреннюю поверхность испытуемой оболочки.