Способ нагружения конструкций при испытаниях на прочность

Изобретение относится к способам нагружения конструкций, преимущественно космических и летательных аппаратов, при их испытаниях на прочность от действия квазистатических нагрузок и может быть использовано в ракетно-космической и авиационной технике при проведении наземной отработки прочности конструкций. Способ заключается в том, что объект испытаний поднимают на определенную высоту, вертикально перемещают вниз, используя для разгона силы земного тяготения, и производят его торможение на упругом основании заданной жесткости и с фиксированной частотой собственных колебаний упругого основания и объекта испытаний в диапазоне частот, не превышающих частоту 5 Гц. При этом закон изменения по времени перегрузок, действующих на объект испытаний в процессе торможения, задают по полусинусоиде в зависимости от высоты перемещения объекта испытаний, его массы и жесткости упругого основания. Технический результат - более точная имитация эксплуатационных воздействий на конструкцию, сокращение времени и трудоемкости проведения испытаний, уменьшение материальных затрат.

 

Изобретение относится к способам нагружения конструкций, преимущественно космических и летательных аппаратов, при их испытаниях на прочность от действия квазистатических нагрузок и может быть использовано и ракетно-космической и авиационной технике при проведении наземной отработки прочности конструкций.

В настоящее время широко известен способ статических испытаний конструкций космических и других летательных аппаратов, основывающийся на методе поэтапного нагружения конструкций силами, медленно изменяющимися или постоянными во времени, который состоит в установлении испытательных нагрузок для конструкций, имитирующих расчетные нагрузки в определенных расчетных случаях, и в последующем поэтапном статическом нагружении объекта испытаний (ОИ) в лабораторных условиях с помощью балочно-рычажных систем и силонагружающих элементов (например, винтовых стяжек или гидроцилиндров) до испытательных нагрузок или до разрушения (см. "Конструкция летательных аппаратов" под редакцией С.Н.Кана, Оборонгиз, М., 1963 г., стр.167, 168, рис. 6.26).

Для малых космических аппаратов (МКА) массой 200-250 кг и ориентировочными габаритными размерами корпуса не более 1000×500×500 мм такой способ нагружения является трудноосуществимым и недостаточно точным для получения соответствующего напряженно-деформированного состояния испытываемой конструкции. Нагружение ОИ данным способом реализуется через дискретное приложение нагрузок к силовым макетам каждого прибора или группы приборов, поэтому необходимо большое количество силовых нагружающих цепей, что практически невозможно реализовать из-за малых размеров приборов и аппаратуры, входящих в состав МКА. Этот способ нагружения конструкций требует изготовления специальных опытных образцов МКА, оснащенных силовыми макетами, предназначенными для приложения испытательных нагрузок, а также большой объем оснастки в виде балочно-рычажных систем и силовых цепей нагружения, что приводит к значительным затратам материальных и денежных средств при проведении наземной экспериментальной отработки прочности. Кроме того, поэтапное нагружение конструкций при испытаниях требует значительного времени для создания и балансирования нагрузок на каждом этапе, поэтому недостатком данного способа нагружения конструкций является большая продолжительность нагружения в каждом расчетном случае, которая может составлять от 30 минут и более. В то время, как показывает анализ случаев нагружения, большинство из них носят импульсный характер, приближающийся к низкочастотному гармоническому воздействию с частотой колебаний 2-5 Гц, период колебаний Т=0,5-0,2 с, включая нагружение МКА на переходных режимах движения при транспортировании его различными видами транспорта, подъемно-такелажные работы с МКА, полетные случаи участка выведения МКА ракетой-носителем (РН): старт, разделение ступеней (РН), сброс головного обтекателя PH. отделение МКА от РН. Поэтому условия работы конструкции МКА в большинстве расчетных случаев можно рассматривать как квазистатическое нагружение. Из сопоставления продолжительности действия нагрузок видно, что время нагружения конструкций в каждом расчетном случае при наземной отработке прочности известным способом на два порядка превышает время реального нагружения конструкций при штатной эксплуатации в тех же случаях.

Другим известным способом нагружения конструкций статическими (линейными) нагрузками является нагружение с помощью центрифуг, позволяющих создавать линейные перегрузки на ОИ определенной величины в зависимости от угловой скорости вращения центрифуг (см. Маленькая энциклопедия. Космонавтика. Под редакцией В.П.Глушко, 2-е издание (дополненное), “Советская энциклопедия”. М., 1970 г., стр.493, 494). Проведенные оценки показывают, что для достижения точности приложения нагрузок по длине МКА (с габаритными размерами корпуса. приведенными выше) 90% необходима центрифуга диаметром более 20 м. К тому же центрифуги являются уникальными и дорогостоящими установками.

Известен способ динамического нагружения конструкций на вибростенде при проведении испытаний на вибропрочность (см. “Технология сборки и испытаний космических аппаратов”. Под редакцией И.Т.Беляева, И.А.Зернова. “Машиностроение”. М., 1990 г., стр.136, 137). С помощью вибростенда можно нагрузить конструкцию однократным синусоидальным импульсом в диапазоне частот 5-10 Гц и выше. Но большинство существующих вибростендов не позволяют устойчиво нагрузить ОИ гармонической (синусоидальной) нагрузкой в диапазоне частот менее 5 Гц. Кроме того, при нагружении ОИ однократным импульсом в условиях вибростенда (при выходе вибростенда на режим нагружения) на ОИ действуют знакопеременные нагрузки колебательного характера как вниз, так и вверх. Если нагрузки, действующие вниз, соответствуют штатному нагружению конструкции МКА и допустимы, то нагрузки, действующие вверх, являются нештатными для МКА и по условиям прочности его конструкции недопустимы.

Повышение требований к более полной имитации штатных условий нагружения конструкций МКА при их наземной отработке прочности, сокращение продолжительности нагружения при испытаниях на прочность, решение задачи отработки прочности конструкций на минимальном количестве образцов материальной части делают перспективным способ нагружения конструкций с имитацией силовых воздействий на ОИ динамическим способом. Динамический способ нагружения, т.е. способ нагружения ОИ путем создания инерционных сил в процессе движения ОИ (его ускорения или торможения), позволяет смоделировать процесс реального нагружения ОИ с учетом времени силового воздействия и максимально приблизиться к эксплуатационным условиям работы и нагружения конструкции.

В результате анализа патентной и научно-технической литературы в качестве прототипа заявленного способа нагружения конструкций при их испытаниях на прочность принят способ нагружения конструкций при проведении ударных испытаний, описанный в книге “Технология сборки и испытаний космических аппаратов”. Под редакцией И.Т.Беляева, И.А.Зернова. “Машиностроение”, М., 1990 г., стр.133. При нагружении данным способом испытываемый объект поднимают на определенную высоту, а затем сбрасывают (перемещают в поле сил земного тяготения) на жесткое основание. При ударе (торможении) о жесткое основание на испытываемую конструкцию действуют ударные нагрузки, амплитудные значения которых зависят от высоты сброса ОИ.

Недостатком данного способа испытаний является невозможность нагружения ОИ квазистатическими нагрузками (перегрузками) в области низких частот, не более 5 Гц, т.к. при сбросе ОИ на жесткое основание можно реализовать его нагружение исключительно воздействиями ударного характера в области высоких частот, превышающих 100 Гц (длительность ударного импульса менее 0,005 с).

Задачей (целью) предлагаемого способа нагружения конструкций является ее нагружение квазистатическими нагрузками (на практике принято считать, что частота изменения таких нагрузок не превышает 5 Гц (круговая частота 10 π рад/с, период колебаний не менее 0,2 с, полупериод - не менее 0,1 с) при проведении наземной экспериментальной отработки прочности.

Поставленная цель в предлагаемом способе достигается путем осуществления торможения ОИ на упругом основании определенной жесткости и на фиксированной частоте собственных колебаний упругого основания. При этом перегрузки на ОИ создаются в процессе его торможения на упругом основании после перемещения (падения) в поле сил земного тяготения до соприкосновения с упругим основанием, а частота изменения внешней нагрузки, приложенной к ОИ, будет соответствовать (равна) частоте собственных колебаний упругого основания с испытываемой конструкцией, которое в данном случае является нагружающим элементом. Для обеспечения частоты приложенной внешней нагрузки (вынужденных колебаний) в низкочастотном диапазоне до 5 Гц (наилучшей с точки зрения оптимальности габаритов упругого основания следует считать частоту его собственных колебаний 2-3 Гц) можно подобрать определенную жесткость упругого основания в зависимости от массы испытываемого объекта. Но практически более удобно жесткость упругого основания задавать постоянной, а для обеспечения фиксированной частоты f внешней нагрузки на ОИ на подвижную часть стенда вместе с ОИ устанавливать дополнительный балансировочный груз, что следует из соотношения

где k=const - жесткость упругого основания;

m=m_ои+m_бг=const - суммарная масса ОИ и балансировочного груза.

Нагружение ОИ происходит при его торможении на упругом основании, при этом закон изменения по времени перегрузок, действующих на ОИ, будет иметь синусоидальный низкочастотный характер. Из известных соотношений движения тел при свободном падении и теории колебаний массы на пружине определенной жесткости (см., например, книгу “Колебания в инженерном деле” С.П.Тимошенко. Д.Х.Янг. У.Уивер, “Машиностроение”. М., 1985 г., глава 1, 1.1. стр.16-20) можно получить закон изменения перегрузок n(t) по времени t

амплитудное значение которых будет зависеть от высоты перемещения (сброса) ОИ при свободном падении в поле сил земного тяготения

С учетом (2) формула (1) запишется

где h - высота подъема объекта испытаний;

g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

- циклическая частота собственных колебаний упругого основания с объектом испытаний;

k - жесткость упругого основания;

m - масса объекта испытаний;

- скорость при свободном падении тела,

n(0)=1 - статическая составляющая перегрузки от веса mg ОИ.

Полученная связь физических параметров позволяет задавать различные испытательные нагрузки в зависимости от жесткостных характеристик упругого основания, массы испытываемой конструкции, высоты (или скорости) ее вертикального перемещения при свободном падении. И наоборот, задавая испытательное значение перегрузки n_max, из формулы (3) просто получить значение необходимой высоты перемещения (сброса) ОИ

Воздействие на движущийся (падающий) ОИ происходит в момент его соприкосновения с упругим основанием и последующего торможения на нем. За счет определенной жесткости упругого основания процесс торможения растягивается во времени. Выбирая определенную жесткость основания, можно изменять время действия, величину и форму синусоидального импульса, максимально приближаясь к характеру нагружения испытываемой конструкции низкочастотными (квазистатическими) нагрузками, которые действуют на нее при эксплуатации. При этом нагрузки на ОИ возрастают от 0 до n_max, достигая максимального значения при наибольшем сжатии (прямой ход) упругого основания, затем при разжатии (обратный ход) упругого основания происходит уменьшение нагрузок на ОИ от n_max До 0. Время действия нагрузки не менее 0,1 с (полупериод колебаний, соответствующий частоте 5 Гц).

Для конструкций КА (МКА) в целом, а также к их компонентам (составным частям) предъявляются определенные требования по жесткости, согласно которым низшая резонансная частота собственных колебаний должна быть не менее 20-25 Гц. Поэтому динамическое взаимодействие ОИ и упругого основания в области низких частот (область частот вынужденных колебаний ОИ на упругом основании) невозможно. Коэффициенты динамического усиления не превышают 1,05 при таком соотношении (менее 0,25) частоты вынужденных и собственных колебаний испытываемой конструкции (см., например, книгу “Колебания в инженерном деле” С.П.Тимошенко, Д.Х.Янг, У.Уивер, “Машиностроение”, М., 1985 г., стр.75, рис.1.33), что позволяет достаточно точно воспроизводить требуемую нагрузку (перегрузку) на испытываемую конструкцию в соответствии с предложенным способом нагружения.

В связи с тем, что нагружение ОИ происходит в процессе его торможения на упругом основании, т.е. при его движении, ОИ должен имитировать массоинерционные и жесткостные характеристики конструкции. Поэтому в качестве испытываемого образца предложенным способом можно использовать динамический макет конструкции, предназначенный для отработки вибропрочности, что приведет к уменьшению затрат и экономии средств на изготовление опытного (отработочного) макета испытываемого изделия (т.к. отпадет необходимость изготовления силового макета для проведения испытаний на статические нагрузки традиционным методом с помощью балочно-рычажных систем).

За счет предлагаемых операций заявленный способ позволяет нагрузить испытываемую конструкцию квазистатическими нагрузками. Такое нагружение осуществляется следующим образом:

- после перемещения ОИ с определенной заданной высоты до соприкосновения с упругим основанием;

- нагружение ОИ происходит в процессе его торможения на упругом основании;.

- жесткость основания и частота внешней приложенной к ОИ нагрузки (не более 5 Гц) постоянны (определяется жесткостью упругого основания и массой ОИ);

- характер приложенной к ОИ нагрузки имеет форму полусинусоиды с полупериодом действия не менее 0,1 с и определяется соотношением (4);

- амплитудное значение приложенной нагрузки зависит от высоты падения (сброса) ОИ и определяется соотношением по формуле (3).

Проведенные авторами расчеты по определению напряженно-деформированного состояния конструкции МКА с массовыми и геометрическими параметрами, упоминавшимися выше, и имеющего наименьшую частоту собственных колебаний около 20 Гц показали, что напряженное состояние силовых элементов конструкции с точностью от 3 до 5% совпадает с напряженным состоянием, полученным при нагружении конструкции статическими нагрузками той же величины, что и амплитудные значения синусоидальной нагрузки при частоте вынужденных колебаний на упругом основании 3 Гц (полупериод действия нагрузки 0,166 с, соотношение частот вынужденных и собственных колебаний конструкции 3/20=0,15, коэффициент динамического усиления близок к 1). что соответствует диапазону изменения квазистатических нагрузок до 5 Гц (полупериод колебаний 0,1 с). Расчеты показали также возможность изготовления стенда для практической реализации предложенного способа нагружения конструкций квазистатическими нагрузками.

Использование заявленного способа нагружения конструкций при испытаниях на прочность по сравнению с аналогами и прототипом позволяет нагрузить испытываемый объект квазистатическими нагрузками, более точно имитирующими эксплуатационные воздействия на конструкцию, значительно снизить объем вспомогательной оснастки, необходимой для проведения испытаний, позволяет использовать динамический макет испытываемого изделия для статических испытаний и тем самым уменьшить затраты на изготовление материальной части для проведения прочностных испытаний, а также существенно сокращает время и трудоемкость проведения самих испытаний.

Способ нагружения конструкций при испытаниях на прочность, заключающийся в том, что объект испытаний поднимают на определенную высоту, вертикально перемещают вниз, используя для разгона силы земного тяготения, и производят его торможение на жестком основании, отличающийся тем, что торможение объекта испытаний производят на упругом основании заданной жесткости и с фиксированной частотой собственных колебаний упругого основания и объекта испытаний в диапазоне частот, не превышающих частоту 5 Гц, а закон изменения по времени t перегрузок n(t), действующих на объект испытаний в процессе торможения, задают соотношением по формуле

где h - высота подъема объекта испытаний;

g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

- циклическая частота собственных колебаний упругого основания и объекта испытаний;

k - жесткость упругого основания;

m - масса объекта испытаний.