Автореферат (Разработка методов и совершенствование технических средств оценки работоспособности эластомерных клеевых соединений конструкций летательных аппаратов), страница 2

Рассмотрены особенности физического строения имеханического поведения эластомерных материалов. На основании работЛ.Трелоара, В.В.Новожилова, Г.М.Бартенева, Р.С.Ривлина, А.Грина,Дж.Адкинса, К.Ф.Черных, А.А.Адамова, Ю.А.Гамлицкого, В.А.Левина,А.А.Аскадского, Ю.П.Зезина, В.И.Дырды, R.Lin, H.Xiao и других, определеныметоды расчета и прогнозирования деформирования и разрушенияэластомеров.Приведено описание основных типов, конструкционных схем и режимовэксплуатации клеевых соединений на основе эластомерных адгезивов,применяемых в конструкциях ЛА авиационной и ракетно-космическойтехники. Выполнен обзор методов и технических испытательных средств,использующихся при оценке работоспособности клеевых соединенийконструкций ЛА.

Вопросам, связанным с анализом конструкционныхособенностей эластомерных клеевых соединений, областью применения,методами расчета и оценки их работоспособности, посвящены работыА.А.Берлина, И.А.Новакова, А.В.Поциуса, Г.В.Малышевой, А.П.Петровой,Ж.-Ж. Вильнава, Н.К.Ивченко, Н.И.Бауровой и других. В областисуществующих методов и технических испытательных средств оценкиработоспособности эластомерных клеевых соединений конструкций ЛАнеобходимо отметить научные труды М.Ю.Русина, Ю.В.Липовцева,Е.И.Суздальцева,Г.В.Малышевой,Н.И.Бауровой,А.А.Дудченко,О.В.Татарникова, В.И.Неповинных, В.С.Райляна и других.4Проведенный обзор и анализ публикаций показал, что, несмотря наразнообразиеимеющихсястандартизированныхметодовоценкиработоспособности клеевых соединений конструкции ЛА и используемых дляих реализации технических испытательных средств, некоторые вопросы,связанные с прогнозированием работоспособности эластомерных клеевыхсоединений конструкций ЛА, остаются недостаточно исследованными.Существующие методы не позволяют в полной мере учесть релаксационныесвойства механического поведения эластомерных адгезивов, особенно яркопроявляющиеся при жестких и продолжительных эксплуатационных режимахтеплосиловых нагрузок, характерных современным высокоскоростным ЛА.

Вглаве обозначены основные проблемы, решение которых позволит болеедостоверно прогнозировать надежность и безотказность узлов эластомерныхклеевых соединений конструкций высокоскоростных ЛА при их наземнойлабораторно-стендовой отработке.Во второй главе приводятся основные соотношения, используемые иполученные в работе для оценки работоспособности эластомерных клеевыхсоединений конструкций ЛА.Для прогнозирования потери работоспособности ЭКС, возникающей попричине развития предельных деформации клеевого соединения вследствиевысокоэластичности эластомерного адгезива, использовался метод анализаупругой энергии деформации эластомера с помощью плотности энергиидеформации или упругого потенциала как функции от инвариантов тензорадеформации: W(I1, I2, I3). В качестве упругого потенциала W использовалисьоднопараметрический потенциал Трелоара и двухпараметрический потенциалМуни-Ривлина соответственно:W1μ(λ122λ 22λ 32 3)μ( I1 3); W2μ1μ2( I1 3)( I 2 3),22(1)где λi=(εi+1), εi - относительная деформация, μ, μ1 и μ2 - параметры материала.Определяющие соотношения, для одноосного растяжения усилием Nэластомерного образца с площадью поперечного сечения S в исходномсостоянии для двух используемых упругих потенциалов имеют следующий видсоответственно:NSμ(λ1Рис.

1. Деформация эластомерногоадгезива при простом сдвиге1); Nλ12S (λ11) (μ1λ12μ2).λ1(2)Для анализа деформации сдвигаиспользоваласьупрощеннаясхемапростогосдвига,напрактикереализуемая путем смещения одной изпараллельных плоскостей субстратаклеевого соединения относительногодругого на величину, пропорциональнуютолщине клеевого слоя (Рис. 1).5Компоненты тензора напряжения при простом сдвиге определяютсясогласно следующему соотношению:T1 0 0p 0 1 00 0 11 k2W2kI10k 01 00 1W2I21kk 1 k20000 .,1(3)где k tg – угол сдвига (Рис.1).Соотношение (3) позволяет построить зависимости касательногонапряжения τсд от величины сдвига k для упругих потенциалов Трелоара иМуни-Ривлина соответственно:τсд μ k ; τсд (μ1 μ 2 ) k.(4)Для прогнозирования потери работоспособности ЭКС, возникающей попричине достижения предельного значения деформации клеевого соединениявследствие ползучести эластомерного адгезива, использовалась наследственнаятеория и соотношение Больцмана-Вольтерра.

При этом процесс ползучестиэластомерного адгезива представлен в виде непрерывной во времени0последовательности состояний,…, ' ,… " ,… τ ,… (Рис. 2), где 0 –начальное состояние адгезива, соответствующее моменту приложениясдвиговой нагрузки τсд (t = t0), ' – состояние адгезива на момент окончания" – состояние адгезива вприложения сдвиговой нагрузки τсд (t = tp),промежуточный момент времени развития ползучести (t = tn), τ – состояниеадгезива в момент определения деформации ползучести (t = τ).Рис. 2. Схема состояний эластомерного адгезива в процессе ползучестиСдвиговая деформация ползучести эластомерного адгезива описываетсясоотношением:tCtPγ(t )γ0φ(t p tcτ)τ сд (τ) dτ0φ(t p tc τ)τ сд dτ,(5)tPгде γ0 – начальная деформация сдвига, φ(t –τ) – функция памяти или ядроинтегрального уравнения, tс – время с момента окончания приложениясдвиговой нагрузки до текущего момента.Для аппроксимации экспериментальных кривых ползучести в качествеядра φ(t –τ) интегрального уравнения (5) использовалось ядро Бронского, приэтом ползучесть эластомерного адгезива при сдвиге (при условии tp << tc)описывается соотношением:6γ(t )γ 0 1 exp(t m)θτсдt,η(6)где m, η и θ – параметры материала.Описание ползучести эластомерного адгезива позволяет прогнозироватьработоспособность ЭКС до момента наступлении третьей стадии ползучести иразрушения адгезива.

Однако для прогнозирования разрушения ЭКС вовремени необходимо установление зависимости долговечности ЭКС отпараметров теплосилового воздействия. Для этого использовалось степенноеt* C (T )τсдα(T ) ,соотношение вида:(7)где τсд – величина напряжения сдвига; С(Т) и α(Т) – параметры материала,зависящие от температуры Т.Параметры С и α для каждого значения температуры T определяются поэкспериментальным данным с помощью системы уравнений:A Xb,(8)гдеA1lg τ сд11lg τ сд11...1lg τ сдilg t*1,lg t*2, X...blg Cα.lg t*iДля этого вектор-столбец неизвестных параметров {X} определяется методомминимизации квадратичной невязки расчетных и экспериментальных данных спомощью псевдообратной матрицы Мура-Пенроуза (А)+=(AT·A)-1·(A)T:X( A) b .(9)Для построения обобщенной модели долговечности ЭКС используетсяпринцип температурно-временной аналогии (ТВА), основанный насуперпозиции релаксационных свойств полимерных материалов. Обобщеннаямодель имеет следующий вид:lg t* lg aT Q lg τсд P,(10)где аT – коэффициент температурно-временной редукции, Q, P – параметры,определяемые методом линейной регрессии по экспериментальной обобщеннойкривой долговечности.Коэффициент аT определяется по формуле Вильямса – Ланделла – Ферри(WLF):lg aTc1 (T T0 ),c2 (T T0 )(11)где с1 и с2 – постоянные коэффициенты, T0 – базовая температура приведения.Третья глава посвящена вопросам совершенствования техническихиспытательных средств оценки работоспособности клеевых соединенийконструкций ЛА и разработке их научно-методического обеспечения.Приведено описание индукционного способа теплового нагруженияэлементов конструкций высокоскоростных ЛА, позволяющего осуществлять7локальный равномерный нагрев элемента (Патент РФ №2534362).

Способреализуется путем зонного нагрева элемента или узла 3 конструкции 2посредством промежуточного нагревательного элемента 1, выполненного изферромагнитного материала и расположенного на нагреваемой поверхности инагреваемого с помощью переменного электромагнитного поля среднейчастоты, генерируемого индуктором 4 (Рис. 3).Дляпрактическойреализации предложенногоспособа теплового нагружения в главе приводитсяразработанная инженернаяметодика расчета параметров индукционного нагревателя, позволяющая наэтапепроектированиянагревателя по заданнымРис. 3. Схема индукционного способа теплового параметрам и условиямнагруженияэлементовконструкцийЛА: нагрева установить его1-промежуточный нагревательный элемент; 2-конструкция основныетехническиеЛА; 3-узел ЭКС конструкции ЛА; 4-индуктор; характеристики.5-теплоизоляторДля проведения экспериментальных исследований работоспособностиЭКС в условиях комплексного теплосилового воздействия разработана исоздана оригинальная лабораторная испытательная установка, схемыисполнения которой представлены на Рис.

4. Установка позволяет проводитьиспытания на долговечность образцов ЭКС в условиях статической сдвиговойнагрузки и скоростного одностороннего нагрева (Рис.4,а), а также в условияхстатического теплосилового воздействия (Рис.4,б). Испытуемый образец ЭКС(Рис. 5) представляет собой клеевое соединение металлической пластины икерамической призмы, изготовленных из материалов идентичных материаламэлементов реальных конструкций ЛА. Площадь склейки составляет 3 см2.Для оценки работоспособности ЭКС конструкций ЛА, подвергающихся впроцессе эксплуатации комплексному термовибрационному воздействиюразработан и создан лабораторный испытательный комплекс, структурнаясхема которого приведена на Рис.

6. В состав комплекса входитэлектродинамический вибрационный стенд с цифровой системой управления инакатная климатическая камера, а также контрольно-измерительное иизмерительно-вычислительное оборудование. Для осуществления тепловоговоздействия на узел ЭКС конструкции ЛА, выходящего за пределытехнических возможностей климатической камеры в состав комплекса введенодополнительное индукционное устройство нагрева.8а)в)б)Рис. 4. Схемы (а, б) и внешний вид (в) лабораторной испытательнойустановки: 1-индуктор; 2-образец; 3-термопары; 4-футеровка индуктора;5-нагревательный элемент; 6-лазерный датчик; 7-теплоизоляторСозданный испытательный комплекс и разработанная методикапозволяют осуществлять комплексноетермовибрационное воздействие наузел клеевого соединения конструкцииЛАвовсемдиапазонеэксплуатационныхнагрузоки,одновременно с этим, проводитьРис. 5.