Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Задачи оптимального проектирования композитных оболочечных конструкций ракетно-космической техники (обзор) 12
1.1. Задачи и подходы оптимального проектирования 12
1.2. Оптимальное проектирование композитных несущих оболочечных конструкций отсеков ракетно-космической технике 17
ГЛАВА 2. Методика оптимального проектирования несущих многостеночных оболочек 21
2.1. Постановка задачи оптимизации 21
2.2. Критерии оценки несущей способности многостеночных оболочек
2.2.1. Прочностные характеристики 27
2.2.2. Общая устойчивость 31
2.2.3 Местная устойчивость 35
ГЛАВА 3. Анализ влияния проектных параметров на несущую способность многостеночных оболочек 36
Глава 4. Сравнительная оптимизация многостеночных и трехслойных оболочек с сотовым заполнителем 43
4.1. Оптимизация несущей оболочки среднего переходника разгонного блока «ДМ-SL» 43
4.2. Сравнительный анализ предельных возможностей несущих углепластико-вых оболочек при м инимизации массы и максим изации нес ущ ей способности 49 Стр.
ГЛАВА 5. Экспериментальные иследования 58
5.1. Условия и порядок проведения испытаний 60
5.2. Технические особенности проведения испытаний 65
5.3. Основные результаты испытаний
5.3.1. Результаты испытаний образцов при нормальных условиях 70
5.3.2. Результаты испытаний образцов при повышенной температуре 79
Выводы и заключение 89
Список литературы
- Оптимальное проектирование композитных несущих оболочечных конструкций отсеков ракетно-космической технике
- Прочностные характеристики
- Сравнительный анализ предельных возможностей несущих углепластико-вых оболочек при м инимизации массы и максим изации нес ущ ей способности
- Технические особенности проведения испытаний
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
В ракетно-космической технике актуальны задачи проектирования элементов цилиндрических оболочечных конструкций: отсеков и обтекателей ракет-носителей (РН) и разгонных блоков (РБ), корпусов космических аппаратов, тубусов космических телескопов и др. Как правило, основной целью оптимального проектирования композитных конструкций является обеспечение сочетания минимальной массы и способности сопротивляться действующим нагрузкам в необходимых направлениях. Достижение этой цели осуществляется выбором оптимальных параметров, определяющих размеры элементов конструкции и структуру материала этих элементов (количество слоев композита, углы армирования и толщины этих слоев). Для проектирования композитных конструкций характерно усложнение как формулировок, так и путей решения задач оптимального проектирования.
На сегодняшний день в зависимости от требований к проектируемым композитным оболочечным конструкциям могут быть использованы различные конструктивные схемы: сетчатые, трехслойные с легким (сотовым)
заполнителем, стрингерно-шпангоутные и другие. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Конструктивная схема многостеночной композитной оболочки, хотя и была принципиально известна ранее, в настоящее время переживает новое рождение. Это связано с использованием перспективных технологий инфузии и инжекции. С точки зрения технологии изготовления многостеночные оболочки могут быть отнесены к интегральным панельным конструкциями, однако по особенностям своей несущей способности стоят ближе к трехслойным несущим оболочкам. Основными преимуществами данного типа конструкций являются технологичность, высокая массовая эффективность, высокие характеристики материала, реализуемые в конструкции, а также возможность достижения различных сочетаний свойств композитных структур в обшивках и стенах. Имеющиеся сегодня публикации в основном посвящены технологическим приемам изготовления таких конструкций, тогда как подробный анализ их свойств и особенностей применения отсутствует.
В связи с этим тема диссертационной работы, требующая решения важной научно-технической задачи, связанной с разработкой методики проектных расчетов многостеночных композитных силовых оболочек отсеков ракет- носителей, является актуальной.
Целью работы является разработка расчетных методик и проведение анализа несущей способности и оптимизации многостеночных композитных силовых оболочек отсеков ракет-носителей и разгонных блоков.
Исходя из этого, в диссертации рассмотрены следующие задачи:
-
Сформулирована задача оптимального проектирования многостеночных несущих композитных оболочек по критериям минимизации массы и максимизации несущей способности.
-
Разработаны вычислительные методики, расчетные алгоритмы и проведено численное исследование несущей способности и возможностей оптимального проектирования многостеночных оболочек отсеков РН и РБ.
-
Проведена сравнительная оптимизация многостеночных несущих оболочек и трехслойных оболочек с сотовым заполнителем, дана оценка рациональных областей применения каждого типа конструкции.
-
Проведены экспериментальные исследования характера деформирования и разрушения фрагментов многостеночных оболочек при воздействии температуры и силовой нагрузки и сформулированы выводы о возможности их применения в конкретных конструкциях РН.
Объектом исследования являются несущие композитные многостеночные оболочки, применяемые в конструкциях отсеков РН и РБ.
Предметом исследования являются расчетное исследование несущей способности оболочек с учетом различных механизмов исчерпания прочности и потери устойчивости, численный анализ влияния проектных параметров на несущую способность конструкции, и также экспериментальные исследования характера деформирования и оценка работоспособности многостеночных конструкций в эксплуатационных условиях.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Разработаны методика, алгоритмы и программы для анализа несущей способности и оптимизации многостеночных оболочек. Предложенная методика продемонстрирована на конкретных примерах ракетнокосмических конструкций. Впервые получены и исследованы оптимальные структуры типовых многостеночных несущих конструкций РН и РБ.
-
Проведена оценка областей рационального применения многостеночных и трехслойных несущих композитных оболочек и даны рекомендации по повышению массовой эффективности несущих оболочек РКТ.
-
Проведено экспериментальное исследование характера деформирования и разрушения и возможности сохранения несущей способности многостеночной оболочки в условиях воздействия одностороннего нагрева и сжимающей нагрузки, имитирующих старт и полет РН.
Степень достоверности полученных научных положений, результатов и выводов, приведенных в диссертации, обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых методов и подходов, а также сопоставлением с соответствующими экспериментальными данными и известными результатами других авторов.
Практическая значимость работы определяется возможностью использования ее результатов для проведения расчетов и оптимизации несущих композитных оболочек отсеков ракет и разгонных блоков, а также многостеночных оболочек различного назначения.
На защиту выносятся:
-
Методика проектных расчетов многостеночных композитных оболочек с учетом различных механизмов исчерпания прочности и потери устойчивости.
-
Результаты анализа влияния проектных параметров на несущую способность многостеночных оболочек. Границы предельных возможностей при одновременной максимизации несущей способности и минимизации массы несущих оболочек.
-
Результаты сравнительной оптимизации многостеночных и трехслойных оболочек с сотовым заполнителем.
-
Результаты экспериментального исследования характера деформирования и разрушения фрагментов многостеночных оболочек в условиях воздействия одностороннего нагрева и сжимающих нагрузок, имитирующих старт и полет РН «Протон».
-
Рекомендации по возможности применения многостеночной структуры в конструкциях отсеков ракет-носителей и разгонных блоков.
Внедрение результатов. Результаты работы внедрены в учебном процессе кафедры СМ1 «Космические аппараты и ракеты-носители» МГТУ им. Н.Э. Баумана и могут быть рекомендованы для использования при оптимальном проектировании несущих оболочек летательных и космических аппаратов.
Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации. Разработка методики, создание программно-алгоритмического обеспечения расчётов, проведение проектных расчётов многостеночных оболочек, их анализ и обобщение.
Апробация основных результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XXXIII международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук». (Москва, 2015г);
Международной научно-практической конференции «Современные технологии и технический прогресс». (Воронеж, 2015г); VII Всероссийской научнопрактической конференции «Научная дискуссия: гуманитарные, естественные науки и технический прогресс», (Ростов-На-Дону, 2015г); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Материалы и технологии новых поколений в современном материаловедении». (Томск, 2015г); IV Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». (Москва, 2015г); XLIX Научных Чтениях памяти К.Э. Циолковского. (Калуга, 2015г); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Федосьева В.И., (Москва, 2016г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ. Основное содержание диссертационного исследования отражено в 3 научных статьях, опубликованных в рецензируемых ВАК Минобрнауки РФ журналах, и в 7 докладах и их аннотациях, опубликованных в сборниках трудов научных конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 110 страниц, 28 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 104 наименования.
Оптимальное проектирование композитных несущих оболочечных конструкций отсеков ракетно-космической технике
В настоящее времени хорошо разработаны теоретические и численные методы проектных расчетов многослойных композитных оболочечных конструкций. Анализ несущей способности многослойных оболочек изложен в работах Алфу-това Н.А., и др. [5, 6], Андреева А.Н., Немировского Ю.В. [7], Васильева В.В. [22], Попова Б.Г. [53], Noor А.К., и др. [88] и многих других публикациях. Особенности расчета многослойных оболочек на устойчивость обсуждаются в работах Андреева А.Н., Немировского Ю.В. [7], Ванина Г.А., Семенюка Н.П. [20], Нарусбер-га В.Л, Тетерса Г.А. [45], Паймушина В.Н., и др. [51, 60], Сухинина С.Н., Тащило-вой Г.Е. [71], Xie Y.J., и др. [99], Yamada S. [100] и других авторов.
Как для всех немонолитных оболочечных конструкций, несущая способность многостеночных оболочек может определяться несколькими различными механизмами: исчерпанием прочности, общей и местной потерями устойчивости. Каждому из этих механизмов исчерпания несущей способности соответствует свое значение предельной нагрузки. При возрастании действующей нагрузки P конструкция разрушится по тому механизму, которому соответствует наименьшее из этих значений. Таким образом, максимизация несущей способности представляет собой максимизацию наименьшей из шести функций [61, 62, 69]. тахP пред(X) = maxmin{P п ро)(Х),P п рс(Х),P п в(Х),Pобуст (Х), (2.4) P м(о) (Х\ P м(с) (Х\\ где, Рпр ,Рмусти Роб уст соответственно предельные нагрузки по прочности, местной и общей устойчивости. Верхние индексы (о), (с) и (в) - соответственно для обшивок, стенок и вставок.
Такой тип оптимизации называется равномерной или оптимизацией по Че-бышеву [62]. Суть его заключается в равномерном «подтягивании» отстающих критериев до уровня «передовых» и, таким образом, в сближении всех критериев на максимально возможном уровне.
В настоящее время существует множество разных подходов и созданных на их базе методик и алгоритмов расчетов прочности многослойного композита, изложенных в работах Зиновьева П.А., и др. [31, 102], Кристенсена Р. [39], Чамиса К.К. [80], Ashbee K.H.G. [84], Chou T.W. [86], Jones R.M. [87], Tsai S.W., Wu E.M. [94] и др. Наиболее часто употребляемыми на сегодняшний день являются: критерий Цая-Ву [94] и различные варианты полиномиальных и тензорно-полиномиальных критериев [31]. При этом разные алгоритмы могут приводить к существенно различающимся результатам при расчете одних и тех же задач [102].
Для проектных расчетов могут быть использованы достаточно простые модели [5, 27], использующие два различных описания характеристик прочности: прочность по первому разрушению материала, характеризующая уровень напряжений, при котором в материале одного из слоев начинают происходить необратимые изменения; предельная несущая способность материала, характеризующая уровень напряжений, начиная с которого многослойный пакет не может больше воспринимать возрастающую нагрузку.
В качестве критерия прочности для обшивок и стенок многостеночных оболочек, изготовленных из ортотропных композитов, используется критерий максимальных напряжений для монослоя [5, 27, 69] Fr(,) of F;K \ F2{1) a2 F \ T\I F (2.5) где F ,Fl , F ,F2 и F{2 — пределы прочности однонаправленного материала при растяжении и сжатии в направлении армирования, растяжении и сжатии в поперечном направлении и при чистом сдвиге, а ,а и т[ 2 - напряжения в слое, вычисленные в его естественной системе координат, индекс «/» - текущий монослой. Несмотря на простоту выбираемого критерия прочности, он обладает рядом преимуществ по сравнению с другими критериями: в его состав входят пять пределов прочности, которые могут быть определены из простых экспериментов [27]; более сложная информация, как правило, недоступна на стадии проектирования; это единственный критерий, четко указывающий причину первого разрушения; эта информация может быть использована для построения алгоритма нелинейного деформирования после первого разрушения [5, 27]; основанная на нем модель деформирования монослоя достаточно точно описывает прочность многослойных композитов при разных типах напряженного состояния [102].
Кроме того, для несущих конструкций космической техники целесообразен расчет прочности по первому разрушению материала. Это связано с тем, что при действии эксплуатационных нагрузок, которые действуют на этапе выведения, необходимо, чтобы материал сохранял свои свойства после снятия нагрузки.
При переходе от конструкции к материалу силовые нагрузки трансформируются в средние напряжения JX, J т которые могут действовать в различной последовательности. Наиболее распространен случай пропорционального нагру-жения, когда все три напряжения возрастают от нулевых до максимальных значений пропорционально одному параметру нагрузки Р :
Прочностные характеристики
Эти величины характеризуют механизмы разрушения каждой из оптимальных конструкций.
Основное объяснение сложного характера приведенных кривых [70] заключается в дискретном характере увеличения толщины обшивок и стенок, которое возможно только путем прибавления целого числа слоев.
Из четырех возможных механизмов исчерпания несущей способности трехслойной оболочки общая устойчивость и местная устойчивость по синфазным форма растут с увеличением толщины заполнителя, местная устойчивость по антифазным формам - падает, а прочность не зависит от толщины заполнителя. Это объясняет тот факт, что линии, характеризующие предельные возможности трехслойной оболочки на Рис. 4.2,а, состоят из четко различимых участков, разделенных изломами. Каждый такой участок начинается с добавления еще одного слоя в обшивки. Это соответствует значительному (почти линейному) росту максимальной предельной нагрузки с увеличением массы, которое происходит за счет увеличения толщины заполнителя. Несущая способность при этом определяется общей устойчивостью (близкие значения также у предельной нагрузки по синфазным формам местной устойчивости); имеется дополнительный запас по прочности. При дальнейшем увеличении массы предельная нагрузка по прочности становится равной предельной нагрузке по общей устойчивости. Происходит перелом, однако несущая способность еще может расти, хотя и медленнее. Это происходит за счет увеличения толщины заполнителя при одновременном развороте спиральных слоев осевом направлении, чтобы обеспечить увеличение прочности. Наконец, толщина заполнителя увеличивается настолько, что несущую способность наряду с прочностью и общей устойчивостью начинает лимитировать местная устойчивость по антифазным формам. Дальнейшее увеличение толщины заполнителя уже не приводит к росту несущей способности, и начинается горизонтальный участок кривой. Он продолжается до тех пор, пока не становится возможным добавить в обшивки еще один слой. При этом толщина заполнителя резко уменьшается, угол армирования спиральных слоев скачком возрастает до 60-70 и начинается новый цикл. Аналогично ведет себя и трехслойная оболочка с обшивками на основе ткани (Рис. 4.2,б); но, поскольку для ткани характеристики в направлениях 1 и 2 практически одинаковы, разница лишь в оптимальных углах армирования, которые могут изменяться от 0 до ± 45.
Границы предельных возможностей для многостеночной конструкции также состоят из пологих и крутых участков. Как правило, в начале каждого крутого участка в обшивки или стенки добавляется слой. Затем происходит перестроение формы клетки и разворот спиральных слоев. Масса возрастает сначала медленно, а после выхода на условие прочности обшивок - быстрее (запас общей устойчивости постоянно близок к единице). Когда же к единице подходят и запас прочности, и запас местной устойчивости - снова добавляется очередной слой.
В результате действия отмеченных факторов сравнительная эффективность оболочек двух конструктивных схем не является постоянной. Она зависит от сочетания пологого и крутого участка для каждой кривой, и, следовательно, в значительной мере случайна. В рассмотренном примере при некоторых сочетаниях массы и нагрузки обе схемы имеют практически одинаковую массовую эффективность, тогда как в других случаях оптимальная многостеночная оболочка может быть более, чем на 40% легче оптимальной трехслойной. Однако видно, что в правой части графиков преимущество многостеночной конструкции становится заметнее.
Сравнительный анализ эффективности оптимальных оболочек позволяет сформулировать следующие выводы [70]. - Для обеих рассмотренных конструктивных схем рост несущей способности с ослаблением требований по массе происходит крайне неравномерно. Это связано с дискретным характером изменения толщин многослойных материалов; особенно сильно выражен этот эффект для углепластика на основе ткани. - В целом многостеночная структура оказывается эффективнее трехслойной в рассмотренном диапазоне нагрузок и масс оболочки, хотя в некоторых случаях их эффективность близка. Это связано с большей адаптивностью мно 57 гостеночной схемы за счет большего числа варьируемых параметров и отсутствием дополнительной массы клея. Преимущество многостеночной схемы над трехслойной возрастает с увеличением нагрузок и ослаблением требований по массе.
Сравнительный анализ предельных возможностей несущих углепластико-вых оболочек при м инимизации массы и максим изации нес ущ ей способности
При повышенной температуре испытано 12 образцов. Основные численные результаты испытаний этих образцов [72] приведены в Таблице 5.1 (образцы М13т М24т). Все образцы испытаны с приспособлением для защемления кромок и центрирующей платформой (см. Рис. 5.7,б). Датчики были приклеены так, что не мешали установке приспособления. Крепление деформометра позволяло устанавливать его вместе с приспособлением, поэтому подготовка к испытаниям образца проводилась следующим образом: - припаивание тензодатчиков к проводам разъема для соединения с регистрирующим прибором; - установка приспособления для защемления боковых кромок; - закрепление на образце деформометра; - установка образца на опорную площадку в испытательную машину и установка на него центрирующей платформы. Далее дверь термокамеры закрывалась и включался нагрев термокамеры с образцом до заданной температуры. После достижения заданной температуры образец выдерживался в камере в течение 25 30 минут для полного прогрева.
После окончания выдержки проводилось нагружение до нагрузки, заведомо меньшей разрушающей, с последующей разгрузкой. Уровень этой нагрузки для первого образца, испытываемого при определенной температуре, задавался приближенно, а далее уточнялся с учетом полученного значения разрушающего напряжения. Во время этого нагружения велась запись показаний деформометра. Для некоторых образцов проведено по два нагружения при повышенной температуре. После окончания нагружения термокамера открывалась, деформометр снимался с образца для предотвращения повреждения его при нагружении до разрушения, затем термокамера закрывалась. После выдержки примерно 5 10 минут для восстановления температуры в камере и в материале образца проводилось нагружение образца до разрушения. Момент разрушения фиксировался по резкому падению нагрузки. При падении нагрузки более, чем на 5%, нагружение останавливалось автоматически, поскольку это было задано в методе нагружения. В процессе нагружения до разрушения велась запись нагрузки и перемещения активного (подвижного) захвата.
Модули упругости, определенные по результатам линейной аппроксимации зависимостей «средние напряжения – продольные деформации» по показаниям деформометра приведены в Таблице 5.1. На Рис. 5.16 представлены типичные для каждой температуры зависимости «нагрузка – продольные деформации» по зарегистрированным деформометром данным. Для сравнения приведены показания деформометра для исследуемого образца при последнем перед нагревом нагружении и при повышенной температуре.
Как данные Таблицы 5.1, так и зависимости, приведенные на Рис. 5.16, говорят о том, что средний модуль упругости на начальном участке нагружения для исследуемых образцов практически (с учетом разбросов экспериментальных данных) не изменяется при повышении температуры в исследованном диапазоне. Прочность же при повышении температуры сильно уменьшается (см. табл. 5.1). На Рис. 5.17 показана зависимость относительной прочности от температуры испытания. В качестве прочности при комнатной температуре принята прочность образца М12т.
На Рис. 5.18 приведены отношения значений модуля упругости при повышенной температуре к модулю упругости при комнатной температуре по показаниям деформометра. Эти данные подтверждают отсутствие влияния температуры на модуль упругости на начальном участке деформирования. Здесь следует заметить, что напряжения конца начального участка деформирования, по которому определялся модуль упругости при повышенной температуре, сильно зависят от температуры из-за резкого уменьшения прочности образцов с температурой. Чтобы оценить характер изменения общей жесткости образцов при нагружении до разрушения при повышенной температуре, построены зависимости перемещения активного захвата испытательной машины от величины нагрузки (аналогично Рис. 5.15 для комнатной температуры). На Рис. 5.19 и 5.20 приведены эти зависимости.
Зависимость «средние напряжения - продольные деформации» по показаниям деформо метра при комнатной и повышенной температуре Здесь хорошо видно, что общая жесткость образцов почти не меняется вплоть до разрушения, т.е., отсутствует участок с низкой жесткостью значительной протяженности, как при комнатной температуре (Рис. 5.15). Это значит, что исчерпание несущей способности образцов происходит из-за достижения предела прочности материала, а не из-за потери устойчивости отдельных элементов.
Снижение прочности на сжатие вдоль волокон углепластиков при увеличении температуры происходит из-за снижения критической нагрузки для отдельных волокон, находящихся в связующем, как в поддерживающей волокно среде. С температурой уменьшается жесткость связующего, поэтому уменьшается и нагрузка, при которой начинается потеря устойчивости отдельных волокон, приводящая к разрушению материала.
На Рис. 5.21 показан типичный вид образцов, разрушенных при повышенной температуре. Можно заметить, что вид зон разрушения при повышении температуры существенно изменяется: чем выше температура, тем менее ярко выражена зона разрушения. Это связано, по-видимому, с тем, что при уменьшении разрушающей нагрузки уменьшается энергия, накапливаемая образцом к моменту разрушения и реализуемая в расслоении и трещинообразовании. Это значит, что с увеличением температуры материал становится менее хрупким.
Испытания по оценке работоспособности материала в условиях, близких к условиям реальной эксплуатации, проведены на трех образцах. На Рис. 5.22 приведены заданные и реализованные в эксперименте зависимости температур и нагрузки от времени для одного из испытаний. Здесь видно, что температура в центре нагреваемой обшивки почти на всем интервале нагружения превышала заданную, а температура на краях нагреваемой обшивки была близка к заданной. Образец выдержал это испытание без визуально наблюдаемых изменений.
Технические особенности проведения испытаний
Вариант 1. Образец с наклеенными тензодатчиками, соединенными с регистрирующим прибором и с центрирующей платформой, устанавливается внутри термокамеры на опорных площадках испытательной машины. Используются тензодатчики, не предназначенные для работы при повышенной температуре, поэтому кроме них на образец устанавливается съемный деформометр испытательной машины для измерения продольных деформаций при повышенной температуре, как это показано на Рис. 5.4.
Система крепления деформометра к модельному образцу показана на Рис. 5.5. Деформометр прижимается к образцу опорными ножиками, взаимное смещение которых передается на упругий чувствительный элемент с тензодатчиками и регистрируется с помощью программного обеспечения испытательной машины.
В качестве компенсационного сопротивления при измерении показаний тензодатчиков по схеме «четверть моста» с термокомпенсацией можно использовать любое сопротивление, равное номинальному сопротивлению тензодатчиков.
Проводится нагружение образца при комнатной температуре до нагрузки не более 0,3 от разрушающей с регистрацией показаний измерителей деформаций.
По результатам этих измерений при необходимости проводится смещение центрирующей платформы в сторону меньших деформаций.
Такие нагружения повторяются до достижения удовлетворительной однородности поля деформаций по показаниям продольных тензодатчиков. После этого соединительные провода от датчиков к регистрирующему прибору обрезаются, термокамера закрывается, проводится повышение температуры в ней до требуемого уровня и выдержка при этой температуре в течение времени, необходимого для полного прогрева образца по всему объему. Далее проводится нагружение до нагрузки, составляющей 0,8 0,9 от разрушающей, с регистрацией показаний де-формометра. Затем термокамера открывается, деформометр снимается с образца во избежание повреждений при разрушении образца, камера закрывается и проводится выдержка образца в камере в течение нескольких минут для восстановления заданной температуры. После этого проводится нагружение образца до разрушения. Вариант 2. Образец с наклеенными тензодатчиками, соединенными с регистрирующим прибором, и с центрирующей платформой устанавливается внутри термокамеры на опорных площадках испытательной машины. Используются тензодатчики, предназначенные для работы при повышенной температуре, поэтому съемный деформометр для измерения продольных деформаций при повышенной температуре на образец не устанавливается. В качестве компенсационного сопротивления при измерении показаний тензодатчиков по схеме «четверть моста» с термокомпенсацией следует использовать тензодатчик из той же партии, что и датчики на исследуемом образце, но наклеенный на ненагруженном образце из такого же материала, из которого изготовлен исследуемый образец. Образец с компенсационным датчиком должен быть расположен в термокамере в непосредственной близости от исследуемого (нагружаемого) образца.
Проводится нагружение образца при комнатной температуре до нагрузки не более 0,3 от разрушающей с регистрацией показаний тензодатчиков. По результатам этих измерений при необходимости проводится смещение центрирующей платформы в сторону меньших деформаций. Такие нагружения повторяются до достижения удовлетворительной однородности поля деформаций по показаниям продольных тензодатчиков. После этого термокамера закрывается, проводится повышение температуры в ней до требуемого уровня и выдержка при этой температуре в течение времени, необходимого для полного прогрева образца по всему объему. Далее проводится нагружение образца до разрушения с регистрацией показаний тензодатчиков вплоть до разрушения.
Оба варианта предполагают использование силоизмерителя испытательной машины для регистрации величины нагрузки и специальных тензометрических приборов для регистрации показаний тензодатчиков с возможностью сохранения этих показаний в виде числовых массивов в ПК. Показания съемного деформо-метра регистрируются с помощью программного обеспечения и аппаратуры испытательной машины.
Методика приклеивания датчиков должна соответствовать инструкции на используемый клей. Для датчиков, предназначенных для работы при комнатной температуре, применяют клей быстрого отверждения на основе цианакрилата. Для датчиков, предназначенных для работы при повышенной температуре, требуются специальные полимерные клеи. Перед наклейкой датчиков всегда проводится обезжиривание поверхности образца в зоне расположения датчиков. Для обезжиривания используется ацетон или другими растворителями, не повреждающими материал образца.
Для экспериментального моделирования и подтверждения работоспособности многостеночной конструкции при нестационарном нагреве и для исследований в условиях полного прогрева были изготовлены специальные образцы, представляющие собой фрагменты многостеночных панелей. Эти образцы изготовлены методом инфузии из углепластика на основе волокон ЛУП-0,1 и связующего SK02TM200-3 “EPOLAM” [58]. Длина образца составляла 170... 180 мм, ширина 130... 145 мм при нестационарном нагреве и 65...70 мм при исследовании в условиях полного прогрева.
Схемы армирования всех образцов: для обшивок 0/90703/±45 (углы укладки волокон даны относительно продольной оси образца, начиная с наружной поверхности обшивки), для ребер ±45704/±45. Таким образом, обшивки включают в себя 7 однонаправленных слоев, а ребра - 8 слоев. Все образцы перед испытаниями подвергались термообработке: нагреву до 180 ± 2С, выдержке при этой температуре 1,5 часа и остыванию вместе с печью.
На Рис. 5.6 показан вид образца для испытаний при нестационарном нагреве. Этот образец является представительным элементом реальной конструкции (фрагментом, отражающим все основные особенности реальной конструкции).
Образец для определения среднего модуля упругости и прочности при различных температурах, установленный на опорные площадки испытательной машины, показан на рисунках 5.7,а (испытание при комнатной температуре) и 5.7,б (при повышенной температуре внутри термокамеры). При испытаниях по определению характеристик материала при разных температурах обнаружилось, что