Устройство для измерения деформаций конструкций из композиционных материалов при повышенных температурах

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения деформаций конструкций летательных аппаратов при испытаниях на прочность. Устройство состоит из упругой подложки, выводных проводов, узлов крепления и конструкции и монтажной рамки. Упругая подложка выполнена двухслойной из электропроводного полимерного композиционного материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, чувствительностью к деформациям и с коэффициентом термического расширения? близким с материалом исследуемой конструкции. Изготовлен упругий элемент в виде двухопорной арки с узлами крепления к конструкции. Внешний и внутренний слои упругой подложки электрически изолированы друг от друга и от узлов крепления диэлектрической прокладкой, концы слоев металлизированы в зонах прикрепления выводных проводов. Слои электрически соединены по схеме измерительного полумоста, а узлы крепления установлены в съемной монтажной рамке. Технический результат изобретения: увеличение точности и диапазона измерения деформаций, увеличение диапазона рабочих температур, уменьшение погрешности измерения от воздействия электромагнитных помех, сокращение затрат на изготовление. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения деформации конструкций при испытаниях на прочность.

Обладатель применения - авиастроение, судостроение, машиностроение, атомная энергетика и др.

При испытаниях на прочность конструкций из композиционных материалов необходимо производить измерения деформаций при различных температурах в широком диапазоне диаграммы - "напряжение- деформация". При этом важным требованием к измерительным устройствам является обеспечение высокой точности измерений и достоверности получаемой информации. Высокая точность измерения деформаций конструкций в значительной мере зависит от стабильности измерительных характеристик во времени, обеспечения компенсаций температурной характеристики, помехоустойчивости от воздействия электромагнитных помех, защищенности от воздействия влаги и агрессивных сред, обеспечения технологичности монтажа на конструкции и др. Анализ технических характеристик показал, что известные измерительные устройства ряду указанных требований полностью не отвечают, поэтому создание и внедрение в практику экспериментальных исследований новых типов устройств является актуальной технической и экономической задачей.

Известны наклеиваемые тензорезисторы (см. А.Н.Баранов, Л.Г.Белозеров, Ю. С.Ильин, В.Ф.Кутьинов "Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов", М., "Машиностроение", 1974 г., стр. 194 - 208), содержащие диэлектрическую подложку, металлическую чувствительную решетку и выводные проводники.

Недостатками известных тензорезисторов являются ограниченный диапазон измерения (до ± 0,6%), неполная схемная компенсация температурного приращения сопротивления, наличие значительных погрешностей измерений при электромагнитных помехах, применение косвенного метода градуировки для определения чувствительности и др.

Известен высокотемпературный тензорезистор типа НМТ-450, предназначенный для измерения деформаций в диапазоне температур 20 - 450^oC (Серьезнов А.П. "Измерения при испытаниях конструкций на прочность". М., Машиностроение, 1976, 25 - 76 с; Клоков Н.П., "Тензорезисторы". М., Машиностроение, 1990. 152 - 153 с.), содержащий плоскую металлическую подложку и наклеенный на нее внешней поверхности тензорезистор. Металлическая подложка после монтажа на ней тензорезистора приваривается точечной сваркой к металлической поверхности конструкции.

Недостатками устройства является ограниченный диапазон измерения деформаций (до ± 0,2%), большое значение температурного приращения сопротивления (при 450^oC его значение достигает 1400·10^-5 отн.ед.), большая собственная жесткость устройства на растяжение (сжатие), большое значение погрешности измерения при воздействии электромагнитных помех и др.

Известно устройство для измерения больших деформаций (см. З.Рузга "Электрические тензометры сопротивления". Пер. с. чешского. М-Л. Госэнергонадзор, 1961, 287 - 288 с.), содержащее упругий элемент и тензорезисторы. Упругий элемент выполнен в виде "П"-образной скобы из бериллиевой или фосфористой бронзы. Устройство предназначено для измерения деформаций при испытаниях текстиля, кожи, резины в условиях нормальных температур.

Недостатками устройства являются низкая величина коэффициента преобразования, низкая точность в начальной зоне диаграммы "σ-ε", большие погрешности при наличии изгибных деформаций на поверхности исследуемой детали и др.

Известно устройство для измерения деформаций при повышенных температурах, принятое за прототип (Патент РФ N 2110766, Бюллетень "Изобретения" N 13, 1998 г., опубликовано 10.05.98 г.), содержащее упругую подложку в виде двухопорной арки, узлы крепления, съемную монтажную рамку и измерительную аппаратуру.

Недостатками устройства являются наличие дополнительных погрешностей, обусловленных разностью коэффициентов термического расширения материалов чувствительной решетки тензорезисторов, упругой подложки и испытываемой конструкции, высокая стоимость и сложность технологии изготовления и монтажа термостойких тензорезисторов, высокий уровень электромагнитных помех и др.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение точности и диапазона измерения деформаций, увеличение диапазона рабочих температур, уменьшение погрешностей измерения от воздействий электромагнитных помех, сокращение затрат на изготовление.

Техническим результатом является функциональная замена в тензорезисторном преобразователе устройства термостойких тензорезисторов двухслойной подложкой из композиционного материала с чувствительностью к деформациям, высоким удельным сопротивлением и коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту термического расширения исследуемой конструкции.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения деформаций при повышенных температурах, содержащем упругую подложку в виде двухопорной арки, узлы крепления, съемную монтажную рамку и измерительную аппаратуру, упругая подложка выполнена двухслойной из высокомодульного однонаправленного электропроводного полимерного композиционного материала на основе углеродных волокон с высоким удельным электрическим сопротивлением, чувствительностью к деформациям и коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту термического расширения материалов исследуемой конструкции, внешний и внутренний слои упругой подложки электрически изолированы друг от друга и от узлов крепления диэлектрическими прокладками, концы слоев подложки металлизированы в зонах присоединения выводных проводников и электрически соединены проводниками по схеме измерительного полумоста, выход которого соединен со входом измерительной аппаратуры. Композиционный материал упругой подложки изготовлен с заданными значениями удельного сопротивления, чувствительностью к деформации и коэффициента термического расширения.

На фиг. 1 представлена конструкция измерительного устройства.

На фиг. 2 приведена электрическая схема устройства и подключения его к измерительной аппаратуре.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из упругой подложки 1, выводных проводов 6 с монтажными колодочками 14, узлов крепления 9 устройства к конструкции 8 и схемной монтажной рамки 10.

Упругая подложка 1 выполнена двухслойной из высокомодульного однонаправленного электропроводного композиционного материала на основе углеродных волокон с высокими удельным электрическим сопротивлением и чувствительностью к деформации. Коэффициент термического расширения композиционного материал α_уп упругой подложки подбирается близким по величине с коэффициентом термического расширения материала исследуемой конструкции α_к, т.е. α_уп ≃ α_к . Слои упругой подложки изготавливаются из тонкого (0,08 - 0,2 мм) листового композиционного материала, например КТНУ-1М (Разработчик: Всероссийский институт авиационных материалов, ВИАМ).

Внешний 2 и внутренний 3 слои друг от друга и от узлов крепления 9 электрически изолированы диэлектрическими прокладками 4 и 5. В местах присоединения выводных проводов поверхности внешнего и внутренних слоев (на концах) в локальных зонах 7 металлизированы. Концы упругой подложки 1 укреплены через электрические прокладки 5 в узлах крепления 9, обеспечивающих монтаж устройства на поверхности исследуемой конструкции 8. Для обеспечения нормированной измерительной базы "Б" при монтаже на конструкции и возможности предварительной градуировки устройство при изготовлении устанавливается в съемную, монтажную рамку 10, в опорной стенке которой предусмотрено отверстие 11 для щупа градуировочного приспособления. В рамке 10 предусмотрен узел 12 для ее разборки. Для измерения температуры устройства на его поверхность наклеивается малоинерционный термодатчик 13.

Слои упругой подложки 2 и 3 соединены выводными проводниками по схеме измерительного полумоста, выход которого соединен со входом измерительной аппаратуры 15 (фиг. 2). В качестве измерительной аппаратуры может использоваться, например, измерительная система типа СИИТ-2 или СИИТ-3, которые серийно выпускаются Краснодарским заводом "Тензоприбор".

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

До монтажа на исследуемую конструкцию измерительное устройство устанавливается в градуировочное приспособление и подключается к измерительной аппаратуре.

Задавая по градуировочному устройству деформации ε или перемещения f известной величины, определяется для каждого устройства зависимость выходного сигнала "А" от ε или f, т.е. A_ε = ϕ(ε) или A_f = ϕ(f) , а установив устройства на эталонном образце из материала конструкции и нагрев их до заданной температуры, определяется температурная характеристика устройства A_t = ϕ(t). Затем устройство при помощи клея холодного отверждения устанавливается на поверхности испытываемой конструкции с базой измерения "Б", подключается к измерительной системе и после полимеризации клея устройство готово к работе.

При силовом или тепловом воздействии испытываемая конструкция деформируется, что приводит к изменению базы измерения "Б" и, соответственно, к увеличению сопротивления одного слоя упругого элемента (R+ΔR) и уменьшению сопротивления другого слоя (R-ΔR) или наоборот. При этом в диагонали измерительного моста появляется электрический сигнал ΔU, пропорциональный изменению сопротивления R. При полумостовой схеме включения внешнего и внутреннего слоев упругой подложки величина выходного сигнала равна , где U - питание измерительного моста. Далее по градуировочной характеристике A_ε = ϕ(ε) или A_f = ϕ(f) определяется величина деформации или перемещения.

При тензометрировании конструкций в условиях повышенных температур в результаты измерений вносятся поправки по температурной характеристике A_t = ϕ(t) (методику обработки см. Баранов А.Н. и др. "Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов", М. "Машиностроение", 1974 г., стр. 288 - 299).

При применении для изготовления двухслойной упругой подложки композиционного материала КТНЦ-1М обеспечивается температурный диапазон измерения от -100 до +150^oC. В устройстве обеспечивается линейная зависимость выходного сигнала от деформации в диапазоне ± 5-7%.

Повышение точности измерения деформаций достигается за счет индивидуальной градуировки каждого устройства до проведения измерений.

Возможность подбора требуемой величины коэффициента термического расширения для материала упругого элемента в зависимости от применяемого материала в конструкции обеспечивается возможность оптимизации температурной характеристики устройства и, соответственно, уменьшение погрешностей измерения при повышенных температурах.

Повышение экономической эффективности достигается за счет возможности многократного использования устройства при испытаниях авиационных конструкций на прочность.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения деформаций конструкций из композиционных материалов при повышенных температурах, содержащее упругую подложку в виде двухопорной арки, узлы крепления, съемную монтажную рамку и измерительную аппаратуру, отличающееся тем, что упругая подложка выполнена двухслойной из высокомодульного однонаправленного электропроводного полимерного композиционного материала на основе углеродных волокон с высоким удельным электрическим сопротивлением, чувствительностью к деформациям и коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту термического расширения материала исследуемой конструкции, внешний и внутренний слои упругой подложки электрически изолированы друг от друга и от узлов крепления диэлектрическими прокладками, концы слоев подложки металлизированы в зонах присоединения выводных проводников и электрически соединены проводниками по схеме измерительного полумоста, выход которого соединен со входом измерительной аппаратуры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что композиционный материал упругой подложки изготовлен с требуемыми значениями удельного электрического сопротивления, чувствительности и коэффициента термического расширения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2