RU157415U1 - Приспособление для испытаний на сжатие конструктивно-подобных образцов - Google Patents

Abstract

1. Приспособление для испытаний на сжатие конструктивно-подобного образца, содержащее две опорные части для закрепления концевых частей образца, отличающееся тем, что каждая опорная часть содержит углубление прямоугольного поперечного сечения, компенсатор, вставленный в указанное углубление и имеющий п-образную форму поперечного сечения, для установки в него концевой части образца и по меньшей мере один крепёжный элемент для фиксации концевой части образца, при этом крепёжный элемент представляет собой по меньшей мере два болта и прижимную призму, расположенную между болтами и компенсатором.2. Приспособление по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна опорная часть содержит два крепёжных элемента, расположенных симметрично относительно углубления.

Description

Полезная модель относится к испытательному оборудованию, а именно - к приспособлениям для проведения испытаний на сжатие с потерей устойчивости конструктивно-подобных образцов (фрагментов конструкций), и может найти применение для исследования свойств материалов, применяемых в конструкциях различного назначения, испытывающих сжимающие нагрузки.

Элементы конструкций воздушного судна, например, элементы верхних панелей центральной части, испытывают в процессе эксплуатации сжимающие нагрузки. Исследование свойств материалов, а также фрагментов готовых конструкций в условиях сжатия является одной из основных задач при проектировании новой и модернизации существующей техники, отдельных узлов и агрегатов. В качестве примера одной из возможных областей применения приспособления является исследование элементов (фрагментов) конструкции верхних панелей крыла, которые в процессе эксплуатации испытывают сжимающие нагрузки. Обоснование эффективности использования новых, например, гибридных материалов в конструкции воздушного судна невозможно без проведения экспериментальных исследований физико-механических свойств фрагментов конструкции, изготовленных из таких материалов. Для проведения исследований свойств фрагментов гибридных панелей крыла (фюзеляжа) требуется разработка новых методов и приспособлений для испытаний конструктивно-подобных образцов фрагментов гибридных панелей. При этом такие устройства должны быть универсальными и должны позволять испытывать конструктивно-подобные образцы (фрагменты конструкции) различной геометрии и размеров выполненные из различных материалов: металлических, полимерных композиционных и гибридных.

Прочность панелей крыла и фюзеляжа в условиях сжимающих нагрузок характеризуется несущей способностью конструкции, т.е. максимальной (критической) сжимающей нагрузкой, при которой происходит местная или общая потеря устойчивости одного из элементов конструкции или всей конструкции в целом. Для многослойных, гибридных конструкционных материалов, обладающих анизотропными свойствами, сжимающие нагрузки являются одними из наиболее опасных. В результате сжатия многослойных, гибридных конструкционных материалов возможны: расслоения, местная и общая потеря устойчивости конструкции, вызванная межслоевыми дефектами.

Несущая способность типовых фрагментов конструкции (гибридных панелей крыла и фюзеляжа) должна быть исследована и подтверждена экспериментально при испытаниях на сжатие (потерю устойчивости) конструктивно-подобных образцов (фрагментов) на приспособлениях, позволяющих оценить поведение материала конструкции при напряженно-деформированном состоянии (сжатии), близком к реальным условиям эксплуатации воздушного судна. При этом затраты на изготовление приспособлений, конструктивно-подобных образцов, время подготовки и сложность проведения испытаний должны быть минимизированы.

Известно приспособление, используемое при испытаниях на сжатие по стандарту ASTMD6484/D6484M-09 «Standard Test Method for Open-Hole Compressive Strength of Polymer Matrix Composite Laminates», 2009 г. «Метод определения прочности при сжатии плоских образцов из композиционных материалов с открытым отверстием», представляющее собой плоское зажимное устройство, состоящее из двух длинных, двух коротких зажимов и двух поддерживающих опор, скрепленных четырьмя болтами. Для испытания образца каждую концевую часть образца помещают между длинным и коротким зажимом таким образом, чтобы торцы образца находились наравне с торцами зажимов. Со стороны коротких зажимов устанавливают поддерживающие опоры и фиксируют образец в приспособлении с помощью четырех болтов (по два болта на каждую поддерживающую опору). Затем приспособление помещают между опорными плитами испытательной машины и проводят испытание на сжатие.

К недостаткам данного приспособления можно отнести ограничения по форме, размеру и материалу используемых образцов, невозможность исследования потери устойчивости как стандартных образцов, так и фрагментов конструкции на потерю устойчивости и несущую способность.

Известно приспособление для испытания на устойчивость металлических образцов, включающее опорные части, установленные соосно на опорных плитах испытательной машины и представляющие собой две призмы, поверхность для опирания образцов которых имеет вогнутость определенного радиуса. Опорная вогнутая поверхность опорных частей направлена на обеспечение поворота концевой части при потере устойчивости образца. Также для осуществления шарнирного опирания концы испытываемого образца обрабатываются таким образом, чтобы скошенные плоскости пересекались на его геометрической оси. При необходимости концевые части образцов укрепляются с помощью каленых наконечников (В.А. Копнов, С.Н. Кривошапко. Сопротивление материалов. - М.: Высш. шк., 2003, с. 291 - аналог).

Недостатком данного приспособления является то, что оно в случае испытания образцов не обеспечивает жесткого закрепления (заделки) концевых частей образца. Кроме того, поскольку данное приспособление не обеспечивает фиксации образца в опорных частях и не имеет жестких направляющих, оно не обеспечивает достаточно точного расположения опорных частей устройства на опорных плитах машины при их установке и, как следствие, невозможность центрального приложения сжимающей нагрузки, что может привести к неточным результатам эксперимента.

Наиболее близким аналогом является приспособление для испытания на устойчивость металлических образцов, содержащее опорные части для опирания концов образца при испытании, цилиндрический корпус с неподвижной, соосной с корпусом опоры, расположенной в его нижней части, с углублением по центральной оси цилиндра, соосный с корпусом подвижный в вертикальном направлении поршень для нагружения образца, выполненный в своей нижней части с углублением по центральной оси цилиндра под сферический шарнир, корпус снабжен также сменными цилиндрическими вставками двух типов для закрепления образца в устройстве, при этом вставка первого типа выполнена в виде цилиндра с отверстием по центральной оси цилиндра, соответствующим поперечному сечению образца, обеспечивающая закрепление по типу жесткой заделки с сохранением возможности осевого нагружения, вставка второго типа выполнена также в виде цилиндра с углублениями по центральной оси цилиндра с обоих концов под сферические шарниры (RU 2289804 C1, 20.12.2006).

К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести следующее. Форма и размеры испытуемых образцов ограничены габаритами цилиндрического корпуса. Также отсутствует возможность установки образцов в условиях различной жесткости защемления. Концевая часть образца, находящаяся во вставке, во время испытания либо не имеет возможности менять угол наклона (жесткая заделка), либо меняет его, но без сопротивления (шарнирное закрепление). Таким образом, приспособление при установке и исследовании свойств образца не позволяет подбирать различную жесткость заделки (шарнира) в зависимости от вида и характера исследуемой конструкции.

Задачей данной полезной модели является разработка простого приспособления для испытаний на сжатие (потерю устойчивости) конструктивно-подобных образцов (фрагментов конструкций) с целью оценки их несущей способности.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение равномерного и плотного прилегания поверхности концевых частей образца к внутренним стенкам опорной части приспособления, предотвращение его самопроизвольного освобождения при скачкообразной потере устойчивости при одновременном обеспечении поворота концевой части образца на угол, зависящий от жесткости материала компенсатора, а также при исключении влияния на точность результатов испытаний возможных неровностей поверхности опирания (торцевой поверхности) конструктивно-подобного образца (фрагмента конструкции).

Технический результат достигается за счет того, что предложено приспособление для испытаний на сжатие конструктивно-подобного образца, содержащее две опорные части для закрепления концевых частей образца, при этом каждая опорная часть содержит углубление прямоугольного поперечного сечения, вставленный в указанное углубление компенсатор, имеющий п-образную форму поперечного сечения, для установки в него концевой части образца и по меньшей мере один крепежный элемент для фиксации концевой части образца, при этом крепежный элемент представляет собой по меньшей мере два болта и прижимную призму, расположенную между болтами и компенсатором.

По меньшей мере одна опорная часть может содержать два крепежных элемента, расположенных симметрично относительно углубления.

Предложенное приспособление представлено на фиг. 1-2. На фиг. 1 изображено приспособление для испытаний на сжатие образцов (вид спереди). На фиг. 2 показано сечение А-А предложенного приспособления.

Цифрами на фигурах отмечены следующие элементы:

1 - пуансоны испытательной машины,

2 - опорные части приспособления,

3 - болты для фиксации образца,

4 - прижимные призмы,

5 - компенсаторы,

6 - конструктивно-подобный образец.

Устройство для испытаний на сжатие конструктивно-подобных образцов состоит из двух одинаковых и взаимозаменяемых частей, каждая из которых состоит из опорной части (2), крепежного элемента, состоящего из болтов (3) и прижимной призмы (4), и компенсатора (5).

Прижимная призма расположена между болтами и компенсатором. Прижимная призма и по меньшей мере два болта через компенсатор обеспечивают равномерное и плотное прилегание поверхности образца к внутренним стенкам опорной части приспособления, обеспечивают требуемое усилие фиксации образца и предотвращают его самопроизвольное освобождение при скачкообразной потере устойчивости в процессе испытаний. Рабочая поверхность прижимной призмы может иметь различную форму и размеры в зависимости от формы и размера поверхности зажимаемого конструктивно-подобного образца. Например, для фрагментов обшивки центральной части крыла конструктивно-подобный образец представляет собой пластину плоского поперечного сечения. В этом случае целесообразно, чтобы прижимная поверхность призмы была плоской. При испытании фрагментов, например, круглого поперечного сечения (фрагментов гидравлических или топливных систем) целесообразно, чтобы поверхность призмы имела вогнутость, радиус которой соответствует радиусу данного фрагмента.

В случае если в захватной области конструктивно-подобный образец или фрагмент конструкции имеет не плоскую поверхность, для фиксации образца (фрагмента конструкции) необходимо использовать две прижимные призмы, имеющие форму рабочих поверхностей, обеспечивающую надежную фиксацию образца (фрагмента) в опорной части приспособления.

Использование компенсатора позволяет реализовать шарнирное опирание концевой части конструктивно-подобного образца (фрагмента конструкции) при испытаниях, т.е. в условиях потери устойчивости позволяет поворачиваться концевой части образца на угол, зависящий от жесткости материала компенсатора, а также исключить влияние возможных неровностей поверхности опирания (торцевой поверхности) конструктивно-подобного образца (фрагмента конструкции).

Компенсатор изготавливается из пластичного материала (резина, пластик, алюминий, медь и т.д.). Материал и его толщина, а соответственно и жесткость, подбираются перед проведением испытаний в зависимости от цели исследований, вида и характера исследуемой конструкции. Приспособление может использоваться и без компенсатора. При установке в приспособление и испытании образца без компенсатора моделируется жесткое закрепление образца (фрагмента конструкции) -заделка.

Наличие нескольких крепежных элементов позволит унифицировать использование устройства для фиксации конструктивно-подобных образцов с поверхностью различных форм в опорных частях за счет выбора формы захватной части прижимных призм, соответствующей форме поверхности конструктивно-подобного образца.

В случае если по меньшей мере один конец образца имеет не плоское поперечное сечение концевой части, для фиксации образца необходимо использование по меньшей мере одной опорной части, содержащей два крепежных элемента, расположенных в углублении симметрично друг относительно друга.

Устройство работает следующим образом.

Концы конструктивно-подобного образца (фрагмента конструкции) (6) помещают в углубления прямоугольного поперечного сечения опорных частей (2) приспособления, в которые помещены компенсаторы (5). Далее указанные концы фиксируют с помощью крепежного(-ых) элемента(-ов), состоящего(-их) из болтов (3) и прижимной призмы (4), расположенной между компенсатором (5) и внутренними стенками опорных частей (2) (углубления). Каждый конец образца не с плоским поперечным сечением фиксируется с помощью двух крепежных элементов, расположенных в углублении симметрично друг относительно друга.

Предложенное приспособление с образцом помещают между пуансонами (1) испытательной машины. Образец, находящийся в приспособлении, деформируют до местной или общей потери устойчивости. С помощью тензорезисторов или испытательной машины регистрируют диаграмму деформаций, а максимальную сжимающую нагрузку в момент начала потери устойчивости образца (несущую способность образца) определяют либо по диаграмме деформирования, либо визуально по изменению формы образца. На диаграмме деформирования момент начала потери устойчивости обусловлен ростом скорости деформирования в зоне локализованной пластической деформации. Во время испытания компенсатор деформируется, что позволяет поворачиваться концевой части образца на угол, зависящий от жесткости компенсатора, а также нейтрализует влияние возможных неровностей торцевой поверхности конструктивно-подобного образца.

Для моделирования напряженно-деформированного состояния образца в условиях, приближенных к условиям эксплуатации воздушного судна, данное устройство при испытаниях может быть помещено в термокриокамеру (на фиг. не показана). На конструктивно-подобном образце предварительно могут быть установлены тензорезисторы, температурные или иные датчики фиксации текущего состояния образца во время испытаний.

Таким образом, предложенное приспособление для испытаний на сжатие конструктивно-подобного образца обеспечивает равномерное и плотное прилегание поверхности концевых частей образца к внутренним стенкам опорной части приспособления, предотвращает его самопроизвольное освобождение при скачкообразной потере устойчивости. Вместе с тем, предложенное приспособление обеспечивает поворот концевой части образца на угол, зависящий от жесткости материала компенсатора, а также исключает влияние на точность результатов испытаний возможных неровностей поверхности опирания (торцевой поверхности) конструктивно-подобного образца (фрагмента конструкции).

Claims (2)

1. Приспособление для испытаний на сжатие конструктивно-подобного образца, содержащее две опорные части для закрепления концевых частей образца, отличающееся тем, что каждая опорная часть содержит углубление прямоугольного поперечного сечения, компенсатор, вставленный в указанное углубление и имеющий п-образную форму поперечного сечения, для установки в него концевой части образца и по меньшей мере один крепёжный элемент для фиксации концевой части образца, при этом крепёжный элемент представляет собой по меньшей мере два болта и прижимную призму, расположенную между болтами и компенсатором.

2. Приспособление по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере одна опорная часть содержит два крепёжных элемента, расположенных симметрично относительно углубления.

Images