Диссертация (Разработка методов и совершенствование технических средств оценки работоспособности эластомерных клеевых соединений конструкций летательных аппаратов), страница 22

5.1).Рис. 5.1. Схема теплосилового нагружения узла ЭКС конструкции ЛА налабораторной испытательной установке: 1 – индукционный нагреватель;2 – промежуточный нагревательный элемент; 3 – термопары; 4 – испытуемаяконструкция ЛА; 5 – грузТепловое нагружение узла ЭКС осуществлялось индукционным способом[174], для чего, в соответствии предложенной в п.3.1 работы методикой,разработан и изготовлен специальный индукционный нагреватель 1 спромежуточным нагревательным элементом 2 из ферромагнитной стали.Измерение параметров и контроль режима нагрева осуществлялся спомощью термопар 3, расположенных на внешней и внутренней поверхностииспытуемой конструкции ЛА 4.Для силовой сдвиговой нагрузки на клеевой слой ЭКС во внутреннююполость конструкции помещался груз заданной массы.

В качестве грузаиспользовались специально изготовленные свинцовые шарики 5, диаметр172которых не превышает 5 мм. Данный способ нагружения является техническипростым и безопасным, поскольку, в отличие от пневматического илигидравлического способа нагружения, не требует дооснащения установкиспециальной бронекамерой или сосудом для сбора жидкости. Кроме того,использование свинцовых шариков позволяет равномерно распределятьнагрузку по внутренней поверхности хрупкой конструкции ЛА, снижая темсамымвероятностьееразрушенияврезультатедействияместныхконцентраторов напряжений.ЭКС исследуемой конструкции ЛА, схема которого приведена на Рис.

5.2,относится к телескопическим клеевым соединениям конического типа(см. п. 1.2.1) и представляет собой соединение керамической оболочкиоживальной формы и переходного металлического шпангоута с помощьюэластомерного герметика ВИКСИНТ У-2-28. Площадь клеевого соединениясоставляет S = 337,6 см2, толщина клеевого слоя порядка h = 0,5 мм.Рис.5.2.СхемаузлаЭКСмалогабаритнойконструкцииЛА:1 - керамическая оболочка; 2 - металлический шпангоут; 3 - эластомерныйклеевой слойВходеисследованийЭКСконструкцийЛАиспытывалосьнадолговечность в условиях продолжительного статического теплосилового173воздействия при температуре Т = 250 °C и различных уровнях сдвиговойнагрузки.Выборданнойтемпературыобусловленэксплуатационнойтемпературой узла ЭКС данной конструкции ЛА.При расчете величины сдвигового напряжения в клеевом слое ЭКСконическоготипанеобходимоучитывать дополнительные напряжения,возникающие в процессе нагрева ЭКС из-за разности ТКЛР соединяемыхразнородных материалов.

Более высокое знчение ТКЛР металлическогошпангоута относительно керамической оболочки обуславливает возникновениераспорных напряжений в ЭКС при нагреве из-за значительно большегоувеличения линейных размеров шпангоута. При этом наличие конусностиповерхности склейки в процессе увеличения размеров шпангоута приводит квозникновению в клеевом слое дополнительного сдвигового напряжения τ'сд.Для оценки величины дополнительного напряжения τ'сд построенаконечно-элементная модель клеевого слоя узла ЭКС исследуемой конструкцииЛА при температуре 250 °C с помощью универсальной программной системыANSYS.На Рис 5.3 приведена диаграмма распределения дополнительногосдвигового напряжения τ'сд, возникающего в клеевом слое в процессе нагреваузла ЭКС малогабаритной конструкции ЛА до температуры 250 °C.Рис.

5.3. Распределение дополнительного сдвигового напряжения повысоте клеевого слоя ЭКС малогабаритного конструкции ЛА при нагреве дотемпературы 250 °C174Приведенная диаграмма показывает, что среднее по высоте ЭКСдополнительное сдвиговое напряжение τ'сд, имеет значение 0,11 МПа.Полученное значение напряжения необходимо учитывать при расчете общегосдвигового τсд напряжения в клеевом слое, определяемого соотношением: сд   гр   сд' ,где τгр – сдвиговое напряжение в клеевом слое, возникающее после помещениявнутри оболочки груза заданной массы.В ходе экспериментальных исследований испытания на долговечностьЭКС конструкций обтекателя проводились при следующих значениях общегосдвигового напряжения: τсд1 = 0,62 МПа; τсд2 = 0,56 МПа; τсд3 = 0,52 МПа.Перед началом испытаний в соответствии с разработанным методомоценки долговечности ЭКС с помощью системы критериальных соотношений(4.17) были определены расчетные значения долговечности ЭКС t*i дляуказанных значений сдвиговых напряжений при температуре испытанийТ = 250 °С.Таксогласно(4.15)и(4.17)расчетныезначениядолговечностиисследуемого ЭКС при температуре Т =250 °С и величинах сдвиговыхнапряжений τсд1 = 0,62 МПа, τсд2 = 0,56 МПа и τсд3 = 0,52 МПа равнысоответственно:lg t*1  lg aT  11,52 lg сд1  0,51  1,15  2,39  0,51  3,03  t*1  1072с  17,9 мин;lg t*2  lg aT  11,52 lg сд 2  0,51  1,15  2,90  0,51  3,54  t*1  3467с  57,7 мин;lg t*3  lg aT  11,52 lg сд3  0,51  1,15  3,27  0,51  3,91  t*1  8128с  135,5 мин.Послеопределениярасчетныхзначенийдолговечностипроведеныиспытания ЭКС трех однотипных конструкций ЛА до разрушения в условияхвоздействия продолжительной статической теплосиловой нагрузки с выше-175казанными параметрами.Результатыспособностирасчетно-экспериментальныхЭКСмалогабаритныхисследованийконструкцийЛАвработопроцессепродолжительного теплосилового воздействия приведены в Таблице 5.1Таблица 5.1Расчетные и экспериментальные данныеТемператураиспытанийТ, °СОбщеесдвиговоенапряжениеτсдi, МПаРасчетноезначениедолговечностиt*Р , сек (мин.)Среднееэкспериментальноезначениедолговечности ЭКС0,621072 (17,9)834 (13,9)ОтклонениерасчетнойдолговечностиЭКС отэкспериментальной , %28,50,563467 (57,7)2886 (48,1)20,10,528128 (135,5)6992 (116,5)14,0t *Э , сек (мин.)250Анализ данных о долговечности ЭКС малогабаритных конструкций ЛАпоказывает, что значения долговечности ЭКС полученные расчетным путемнаходятся в удовлетворительном согласии с результатами экспериментов(отклонение расчетного значения долговечности ЭКС от экспериментальногоне превышает 14,0 %)Таким образом, результаты расчетно-экспериментального исследованияпоказывают, что предложенный в настоящей работе метод прогнозированиядолговечности позволяет осуществлять оценку работоспособности ЭКСмалогабаритный конструкций ЛА в условиях продолжительного теплосиловоговоздействия.5.1.2.

Работоспособность клеевых соединений крупногабаритныхконструкций ЛАЭкспериментальное исследование работоспособности ЭКС крупногабарит-176ныхконструкцийЛАосуществлялосьаналогичнымисследованиюмалогабаритных конструкций методом.Для воспроизведения теплового нагружения на узел ЭКС исследуемойконструкцииЛАлабораторнаяиспытательнаяустановкадооснащенаспециальным индукционным нагревателем большого диаметра 1 (Рис. 5.4),промежуточным нагревательным элементом 2, а также оснасткой для монтажаи крепления конструкции на установку и силового нагружения ЭКС.Рис. 5.4.

Элементы специального индукционного нагревателя длятепловогонагруженияузла ЭКСкрупногабаритныхконструкцийЛА:1 - индуктор; 2 - промежуточный нагревательный элементСиловое нагружение узла ЭКС также осуществлялось с использованием вкачестве груза свинцовых шариков, расположенных во внутренней полостиконструкции ЛА.ЭКС исследуемой крупногабаритной конструкции ЛА, схема которогоприведена на Рис. 5.5, относится телескопическим клеевым соединениямконического типа.

Площадь клеевого соединения равна S = 1005 см2.ВходеисследованийЭКСконструкцийЛАиспытывалосьнадолговечность в условиях продолжительного статического теплосиловоговоздействия при температуре Т = 300 °C и различных уровнях сдвиговой177нагрузки.Выборданнойтемпературыобусловленэксплуатационнойтемпературой узла ЭКС данной конструкции ЛА.Рис.5.5.СхемаузлаЭКСкрупногабаритнойконструкцииЛА:1 - керамическая оболочка; 2 - металлический шпангоут; 3 - эластомерныйклеевой слойДля оценки величины дополнительного напряжения τ'сд , возникающего вклеевом слое в процессе нагрева ЭКС из-за наличия конусности поверхностисклейки, построена конечно-элементная модель клеевого слоя исследуемогоузла ЭКС при температуре 300 с помощью универсальной программнойсистемы ANSYS.На Рис 5.6 приведена диаграмма распределения дополнительногосдвигового напряжения τ'сд, возникающего в клеевом слое узла ЭКСкрупногабаритной конструкции ЛА в процессе нагрева до температуры 300 °C.Рис.

5.6. Распределение дополнительного сдвигового напряжения повысоте клеевого слоя ЭКС малогабаритного конструкции ЛА при нагреве дотемпературы 250 °C178Приведенная диаграмма распределения показывает среднее значениедополнительного сдвигового напряжения τ'сд равное 0,02 МПа, что учитывалосьпри расчете общего сдвигового напряжения τсд.Испытания на долговечность ЭКС проводились на трех однотипныхкрупногабаритных конструкциях ЛА при следующих значениях общегосдвигового напряжения: 0,22 МПа, 0,20 МПа, 0,17 МПа.Перед началом испытаний в соответствии разработанным методом оценкидолговечности ЭКС с помощью системы критериальных соотношений (4.17)были определены расчетные значения долговечности ЭКС t*i для указанныхзначений сдвиговых напряжений при температуре испытаний Т = 300 °С.Таксогласно(4.15)и(4.17)расчетныезначениядолговечностиисследуемого ЭКС при температуре Т =300 °С и величинах сдвиговыхнапряжений τсд1 = 0,22 МПа, τсд2 = 0,20 МПа и τсд3 = 0,17 МПа равнысоответственно:lg t*1  lg aT  6, 61lg  сд1  0, 61  2, 02  4,35  0, 61  2,94  t*1  870 с = 14,5 мин;lg t*2  lg aT  6, 61lg  сд1  0, 61  2, 02  4, 62  0, 61  3, 21  t*1  1622 с = 27,0 мин;lg t*3  lg aT  6, 61lg  сд1  0, 61  2, 02  5, 09  0, 61  3, 68  t*1  4786 с = 79,8 мин.ПослеопределениякрупногабаритнойрасчетныхконструкцийЛАзначенийпроведеныдолговечностииспытанияЭКСЭКСнадолговечность в условиях статического теплосилового воздействия.Результатыработоспособностирасчетно-экспериментальныхЭКСкрупногабаритныхконструкцийисследованийЛАприпродолжительном теплосиловом воздействии приведены в Таблице 5.2.Анализ данных о долговечности ЭКС крупногабаритных конструкций ЛАпоказывает, что значения долговечности ЭКС полученные расчетным путем179находятся в удовлетворительном согласии с результатами экспериментов(отклонение расчетного значения долговечности ЭКС от экспериментальногоне превышает 14,3 %)Таблица 5.2Расчетные и экспериментальные данные долговечности ЭКСТемператураиспытанийТ, °СОбщеесдвиговоенапряжениеτсдi, МПаРасчетноезначениедолговечности0,22870 (14,5)648 (10,8)ОтклонениерасчетнойдолговечностиЭКС отэкспериментальной , %34,30,201622 (27,0)1302 (21,7)24,60,174786 (79,8)5844 (97,4)18,1t*Р , сек (мин.)Среднееэкспериментальноезначениедолговечности ЭКСt *Э , сек (мин.)300Результаты проведенного расчетно-экспериментального исследования ипроверка предложенного метода оценки долговечности ЭКС конструкций ЛАпоказали, что полученные критериальные соотношения, а также установленныепараметрыматериала,входящиевданныесоотношения,позволяютосуществлять оценку работоспособности ЭКС как малогабаритных, так икрупногабаритныхконструкцийЛА,эксплуатируемыхвусловияхпродолжительного теплосилового воздействия.5.2.

Экспериментальные исследования работоспособности и стойкостиклеевых соединений при комплексных термовибрационных воздействияхКак отмечалось ранее, узел ЭКС конструкций ЛА в процессе эксплуатацииподвергается длительному комплексному термовибрационному [39, 40, 179,180], что приводит к постепенной потери прочностных свойств адгезива иусталостному разрушению ЭКС.