RU208163U1 - Sample for testing multi-span reinforced panels - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области создания летательных аппаратов с повышенной весовой эффективностью, в частности к средствам испытаний на сжатие панелей из ПКМ. Предлагается устройство (образец) для обеспечения испытаний многопролетных подкрепленных панелей верхней плоскости крыла, состоящее из двух многопролетных панелей интегрального типа, объединенных нервюрами и боковыми стенками. На торцах панелей жестко закреплены универсальные опорные узлы с "плавающими" вкладышами и упругими элементами с фиксаторами многократного использования, жесткими обоймами и множеством стяжных элементов (болтов), охватывающие и стесняющие отрезные торцы экспериментальных слоистых панелей. Образец имеет массу, эквивалентную прототипу, и позволяет за счет регулируемого зазора между вкладышами, при их плотном прилегании к контуру панели в торцевой зоне, использовать его для образцов натурных конструкций из ПКМ сжатых зон крыла различной геометрии. При этом сокращается время и уменьшается стоимость проведения экспериментальных работ.The utility model relates to the field of creating aircraft with increased weight efficiency, in particular to means for testing compression of panels made of PCM. A device (sample) is proposed for testing multi-span reinforced panels of the upper plane of the wing, consisting of two multi-span panels of integral type, united by ribs and side walls. At the ends of the panels, universal support units with "floating" inserts and elastic elements with reusable clamps, rigid clips and a plurality of tie elements (bolts) are rigidly fixed, enclosing and constraining the cutting ends of the experimental layered panels. The sample has a mass equivalent to that of the prototype and, due to the adjustable gap between the liners, with their tight fit to the panel contour in the end zone, it can be used for samples of full-scale structures made of PCM of compressed wing zones of various geometries. This reduces the time and reduces the cost of experimental work.

Description

Полезная модель относится к области испытаний элементов конструкции летательных аппаратов из современных полимерных композиционных материалов (ПКМ).The utility model relates to the field of testing aircraft structural elements made of modern polymer composite materials (PCM).

Для повышения весовой эффективности конструкции летательных аппаратов на этапе эскизного проектирования планера проверяют рациональные проектные параметры, при которых значительно сокращается также трудоемкость за счет уменьшения числа входящих в конструкцию деталей.To increase the weight efficiency of the aircraft design, at the stage of the preliminary design of the airframe, rational design parameters are checked, at which the labor intensity is also significantly reduced by reducing the number of parts included in the design.

В настоящем подход к созданию экспериментальных лабораторных образцов многопролетных панелей и устройств для испытаний, которые были предложены и успешно опробованы при использовании в панелях металлических сплавов, не подходит для ПКМ, а параметрические испытания этих образцов, как правило, дают заниженные характеристики прочности по отношению к натурной конструкции, например, панелей крыла. Граничные условия же опирания конструктивно-подобных панелей в экспериментальных образцах должны воспроизводить при испытаниях характер деформирования длинномерных неразрезных панелей натурной конструкции.In the present, the approach to the creation of experimental laboratory samples of multi-span panels and test devices that have been proposed and successfully tested when used in panels of metal alloys is not suitable for PCM, and parametric tests of these samples, as a rule, give underestimated strength characteristics in relation to the full-scale structures such as wing panels. The boundary conditions for the support of structurally-like panels in experimental samples should reproduce during testing the nature of deformation of long-length continuous panels of a full-scale structure.

Одна из особенностей при этом, это расслоение торцов многопролетных панелей, вырезанных из натурной конструкции, оно в настоящее время, как правило, возникает при испытаниях из-за различия коэффициентов Пуассона формообразующего "жгута" и основного материала, отсутствия в ПКМ зоны пластического деформирования типовых конструкций интегрального типа при отсутствии равномерного стеснения торцов (Приложение 1).One of the features in this case is the delamination of the ends of multi-span panels cut from a full-scale structure, it currently, as a rule, arises during testing due to the difference in Poisson's ratios of the shaping "bundle" and the base material, the absence of plastic deformation zone of typical structures in the PCM integral type in the absence of uniform restraint of the ends (Appendix 1).

Из существующего уровня техники известно устройство (образец) для испытания на сжатие образцов-пластин, шарнирно опертых по вертикальным кромкам и защемленным по нагруженным (см. "Прочность и устойчивость элементов и соединений элементов авиационных конструкций из композитов" Москва. Физматлит. 2013 г., стр. 89-99). Указанный образец не содержит в себе узлы для подкрепления нагруженных отрезных торцов.From the existing state of the art, a device (sample) is known for testing the compression of specimen-plates, hingedly supported along the vertical edges and clamped along the loaded ones (see "Strength and stability of elements and joints of elements of aviation structures made of composites" Moscow. Fizmatlit. 2013, pp. 89-99). The specified sample does not contain nodes for reinforcing the loaded cut-off ends.

Аналогом заявленного технического решения может служить также устройство с образцом металлокомпозиционного соединения в конструктивно-подобных штатных панелях из ПКМ (патент на полезную модель RU 148805, G01N3/08, опубликованный 20.12.2014 г.). Указанные образец и устройство не обеспечивают возможность моделировать конфигурацию длинномерных неразрезных панелей из ПКМ, опертых на многочисленные натурные нервюры и не препятствуют расслоению отрезных торцов при лабораторных испытаниях элементов из ПКМ, деформирующихся в линейной зоне, вплоть до разрушения.An analogue of the claimed technical solution can also be a device with a sample of a metal-composite compound in structurally similar standard PCM panels (patent for a useful model RU 148805, G01N3 / 08, published on 20.12.2014). The specified sample and device do not provide an opportunity to simulate the configuration of long continuous PCM panels supported on numerous full-scale ribs and do not interfere with the delamination of cut ends during laboratory tests of PCM elements deformed in a linear zone, up to destruction.

Еще одним аналогом заявленного технического решения является устройство для крепления экспериментальных образцов панелей, состоящее из распорных обойм с призматическими скользящими вкладышами, установленными на панелях из ПКМ (патент на полезную модель RU 128930, МПК G01N3/08, опубликованный 10.06.2013). Недостатком технического решения является то, что оно не обеспечивает по контуру торца стеснения (подкрепления) образца панели крыла с переменной геометрией продольного силового набора в зоне нагружения.Another analogue of the claimed technical solution is a device for fastening experimental samples of panels, consisting of spacer clips with prismatic sliding inserts mounted on panels made of PCM (utility model patent RU 128930, IPC G01N3 / 08, published 10.06.2013). The disadvantage of the technical solution is that it does not provide along the end face of the constraint (reinforcement) of the wing panel sample with variable geometry of the longitudinal force set in the loading zone.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является образец (устройство) для испытания подкрепленной панели, известный из патента SU 1840335 A1, G01N3/08, опубликованного 10.10.2006. Указанный образец состоит из двух параллельных трехпролетных панелей, двух крайних и двух средних нервюр, связывающих панели между собой и двух боковых стенок, закрепленных на нервюрах. Образец снабжен также шарнирными (опорными) узлами, внешние обоймы которых закреплены на соответствующих крайних нервюрах, внутренние - на концах одной из неразрезных трехпролетных панелей, при этом ось шарнира лежит на линии, расположенной в плоскости, параллельной обшивке проходящей через линию центров поперечных сечений панелей. Указанный образец не обеспечивает возможности испытаний на сжатие многопролетных образцов панелей интегрального типа верхней поверхности крыла ЛА из ПКМ с подкрепленными торцами.The closest analogue of the claimed technical solution is a sample (device) for testing a reinforced panel, known from the patent SU 1840335 A1, G01N3 / 08, published 10.10.2006. The specified sample consists of two parallel three-span panels, two extreme and two middle ribs connecting the panels to each other and two side walls fixed on the ribs. The sample is also equipped with hinge (support) nodes, the outer frames of which are fixed on the corresponding extreme ribs, the inner ones - at the ends of one of the continuous three-span panels, while the axis of the hinge lies on a line located in a plane parallel to the skin passing through the line of centers of the cross-sections of the panels. The specified sample does not provide the possibility of testing the compression of multi-span samples of integral-type panels of the upper surface of an aircraft wing made of PCM with reinforced ends.

Другим недостатком всех вышеуказанных технических решений является отсутствие возможности моделировать натурное деформирование образцов панелей верхней поверхности крыла из ПКМ за счет исключения расслоения их отрезных торцов.Another disadvantage of all of the above technical solutions is the inability to simulate the full-scale deformation of the samples of the panels of the upper surface of the wing made of PCM due to the exclusion of delamination of their cut-off ends.

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка конструкции устройства (образца), повышающего достоверность результатов лабораторных испытаний образцов панелей верхней плоскости крыла ЛА из ПКМ при снижении материалоемкости дорогостоящего ПКМ, что является техническим результатом.The task to be solved by the claimed utility model is the development of a device (sample) design that increases the reliability of the results of laboratory tests of samples of panels of the upper plane of an aircraft wing made of PCM while reducing the material consumption of an expensive PCM, which is a technical result.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для испытания многопролетных подкрепленных панелей, содержащем указанную панель, боковые стенки, опорные узлы на торцах панели и нервюры, поверхности панели выполнены из слоистого композиционного материала, а опорные узлы выполнены в виде соединенных между собой стяжными элементами жестких обойм с размещенными между ними враспор клиновидными вкладышами, между которыми размещены упругие элементы.The technical result is achieved by the fact that in the device for testing multi-span reinforced panels containing the specified panel, side walls, support nodes at the ends of the panel and ribs, the panel surfaces are made of a laminated composite material, and the support nodes are made in the form of rigid clips connected to each other by tightening elements with wedge-shaped inserts placed between them, between which elastic elements are placed.

Упругие элементы закреплены на фиксаторах клиновидных вкладышей. Опорные узлы нагружаемых торцов панелей из слоистых композиционных материалов различной геометрии выступают за крайние нервюры на длину, равную 0,6-1,1 от толщины обшивки. Нагружаемые параллельные торцы панелей из слоистых композиционных материалов выступают за опорные узлы на длину, равную 20-30% от толщины обшивки. Отношение диаметра стяжных элементов, проходящих с зазором через торцевую зону, закрепляющих опорные узлы на торцах панели из слоистых композиционных материалов и расположенных в промежутке между стрингерами продольного силового набора, к толщине обшивки лежит в диапазоне 1,1-1,7 с твердостью материала крепежа не менее 37 HRC. Количество нервюр на одну больше количества пролетов.The elastic elements are fixed on the clamps of the wedge-shaped bushings. The supporting nodes of the loaded ends of panels made of laminated composite materials of various geometries protrude beyond the extreme ribs by a length equal to 0.6-1.1 of the sheathing thickness. The loaded parallel ends of panels made of laminated composite materials protrude beyond the support nodes by a length equal to 20-30% of the skin thickness. The ratio of the diameter of the tie elements passing with a gap through the end zone, fixing the support nodes at the ends of the panel made of laminated composite materials and located in the interval between the stringers of the longitudinal force set, to the skin thickness is in the range 1.1-1.7 with the hardness of the fastener material not less than 37 HRC. The number of ribs is one more than the number of spans.

Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания примера выполнения заявленного образца с использованием чертежей, на которых показано:Details, features, as well as the advantages of the present utility model follow from the following description of an example of the claimed sample using the drawings, which show:

фиг. 1 - устройство (образец) для испытания многопролетных подкрепленных панелей из ПКМ;fig. 1 - device (sample) for testing multi-span reinforced PCM panels;

фиг. 2 - универсальные опорные узлы с обоймами, с распорными клиновидными вкладышами, упругими элементами (пружинами) с фиксаторами, стяжными элементами (болтами с гайками) и антифрикционным покрытием.fig. 2 - universal support units with cages, with wedge-shaped spacers, elastic elements (springs) with clamps, tightening elements (bolts with nuts) and an anti-friction coating.

Устройство для испытания многопролетных подкрепленных панелей (образец) содержит две панели из ПКМ 1, нервюры 2, боковые стенки 3 и опорные узлы 4 на торцах панели, которые в свою очередь состоят из жестких обойм 5 с размещенными с ними враспор клиновидными вкладышами 6, упругих элементов (пружин) 7, закрепленных на фиксаторах 8 и стяжных элементов (болтов) 9. Поверхности панели выполнены из слоистого композиционного материала.The device for testing multi-span reinforced panels (sample) contains two panels of PCM 1, ribs 2, side walls 3 and support nodes 4 at the ends of the panel, which in turn consist of rigid clips 5 with wedge-shaped inserts 6 placed with them, elastic elements (springs) 7, fixed on clamps 8 and tightening elements (bolts) 9. Panel surfaces are made of a laminated composite material.

Подготовка и испытание образца происходят следующим образом: на торцы панели из слоистого композиционного материала 1 монтируют поочередно с каждой стороны жесткие обоймы 5, устанавливают клиновидные вкладыши 6 с необходимыми упругими элементами (пружинами) 7, стягивают их стяжными элементами (болтами) 9, проходящими с зазором через торцевую зону панели, и гайками, обеспечивая при этом зазор между опорными узлами и нагружаемыми торцами 20-30% от толщины обшивки, а общий выход опорных узлов на расстояние 0,6-1,1 от толщины обшивки. Размещенные между клиновыми поверхностями распорных вкладышей упругие элементы (пружины) 7 и антифрикционное покрытие 10 контактных поверхностей обеспечивают равномерное расчетное давление (стеснение) нагружаемых торцов, препятствуя их расслоению на ранней стадии деформирования.Preparation and testing of the sample proceed as follows: on the ends of the panel made of laminated composite material 1, rigid clips 5 are mounted alternately on each side, wedge-shaped inserts 6 with the necessary elastic elements (springs) 7 are installed, tightened with tightening elements (bolts) 9 passing with a gap through the end zone of the panel, and nuts, while providing a gap between the support nodes and the loaded ends of 20-30% of the thickness of the skin, and the total exit of the support units at a distance of 0.6-1.1 from the thickness of the skin. Placed between the wedge surfaces of the spacer inserts elastic elements (springs) 7 and antifriction coating 10 of the contact surfaces provide a uniform design pressure (constraint) of the loaded ends, preventing their delamination at an early stage of deformation.

Панели в образце нагружаются поочередно, а реализованные граничные условия на торцах создают натурное поле деформаций по всей длине многопролетной панели из ПКМ.The panels in the sample are loaded alternately, and the realized boundary conditions at the ends create a full-scale deformation field along the entire length of the multi-span PCM panel.

Необходимость же проведения зачетных испытаний панелей силового каркаса из ПКМ в условиях, приближенных к эксплуатационным, регламентируется авиационными правилами и требованиями "Пирамиды" (приложение 2) расчетно-экспериментальных исследований прочности, выполнение которых требуется для обоснования выбора укладки перспективного материала, конструкторских решений, критериев прочности и технологических операций, валидации методик расчета и сертификации конструкции планера ЛА в целом.The need to carry out test tests of the panels of the load-bearing frame made of PCM in conditions close to operational ones is regulated by the aviation rules and requirements of the Pyramid (Appendix 2) of experimental and computational strength studies, the implementation of which is required to justify the choice of laying a promising material, design solutions, strength criteria and technological operations, validation of calculation methods and certification of the aircraft airframe as a whole.

Созданный образец с двумя подкрепленными по торцам многопролетными панелями из ПКМ обеспечивает определение достоверных данных по фактической прочности при сжатии с учетом моделирования влияния внешней среды, условий эксплуатации и производственных дефектов.The created sample with two multi-span PCM panels reinforced at the ends provides the determination of reliable data on the actual compressive strength, taking into account the simulation of the influence of the external environment, operating conditions and manufacturing defects.

Технический результат достигается тем, что экспериментальный образец с двумя многопролетными параллельными панелями из ПКМ содержит в себе натурную геометрию последних, типовые элементы соединения их с нервюрами и универсальными опорными узлами для подкрепления (стеснения) отрезанных нагружаемых торцов. Опорные же узлы выполнены в виде жестких обойм с распорными, например, "плавающими", клиновидными вкладышами закрепленными, например, множеством стяжных элементов (болтов) на концах (торцах) слоистых панелей интегрального типа. Опорные узлы выступают за крайние нервюры на длину, равную 0,6-1,1 от толщины обшивки. Нервюры же, имеющие реальную конфигурацию, разделяют в образце каждую, например, стрингерную панель, на равные по длине участки, а зазоры между опорными узлами и торцами панелей, объединенных в кессон (устройство) боковыми стенками и нервюрами, общее количество которых на одну больше количества пролетов, и опорными узлами, лежат в диапазоне 20-30% от толщины обшивки. При этом распорные вкладыши с антифрикционным покрытием и углом наклона примерно 45° снабжены сменными упругими элементами, например, круглыми "матрасными плавающими" пружинами с формой однополостного гиперболоида, опертыми на фиксаторы, и обеспечивающими расчетное равномерное поперечное давление (стеснение) на контур панели в зоне ее нагружения по торцам, а переменный регулируемый зазор между ними позволяет многократное использование их для подкрепления отрезных торцов панелей из слоистого композиционного материала с различным шагом продольного стрингерного набора. Образец позволяет за счет регулируемого зазора между вкладышами, при их плотном прилегании к контуру панели в торцевой зоне, использовать его для образцов натурных конструкций из ПКМ сжатых зон крыла различной геометрии. При этом сокращается время и уменьшается стоимость проведения экспериментальных работ.The technical result is achieved by the fact that the experimental sample with two multi-span parallel panels made of PCM contains the natural geometry of the latter, typical elements of their connection with ribs and universal support nodes for reinforcement (constraint) of the cut off loaded ends. The supporting units are made in the form of rigid clips with spacers, for example, "floating", wedge-shaped inserts fixed, for example, by a plurality of tightening elements (bolts) at the ends (ends) of laminated panels of the integral type. The support nodes protrude beyond the extreme ribs by a length equal to 0.6-1.1 of the skin thickness. Ribs, having a real configuration, divide each in the sample, for example, a stringer panel, into sections equal in length, and the gaps between the support nodes and the ends of the panels combined into a caisson (device) by side walls and ribs, the total number of which is one more than the number spans, and support nodes, lie in the range of 20-30% of the skin thickness. In this case, the spacer inserts with an anti-friction coating and an angle of inclination of approximately 45 ° are equipped with replaceable elastic elements, for example, round "mattress floating" springs with the shape of a single-cavity hyperboloid, supported by the clamps, and providing a calculated uniform transverse pressure (constraint) on the contour of the panel in its zone loading at the ends, and the variable adjustable gap between them allows their repeated use to reinforce the cut-off ends of panels made of laminated composite material with different pitch of the longitudinal stringer set. The sample allows, due to the adjustable gap between the liners, with their tight fit to the panel contour in the end zone, to use it for samples of full-scale structures made of PCM compressed zones of the wing of various geometries. This reduces the time and cost of experimental work.

Выше изложенное позволяет повысить достоверность опытных результатов, полученных в лабораторных условиях, а также снизить материалоемкость эксперимента.The above makes it possible to increase the reliability of the experimental results obtained in laboratory conditions, as well as to reduce the material consumption of the experiment.

Изготовленные опытные образцы устройства для панелей с различной геометрией силового продольного набора, проведенные лабораторные испытания серии натурных стрингерных панелей с учетом влаго- и топливонасыщения слоистого материала, изменения температурного режима, а также с технологическими дефектами, эксплуатационными повреждениями и их ремонтом в зачетной зоне многопролетной панели, подтвердили положительный эффект предложенного технического решения, а, именно, повышение достоверности получаемого результата на 25-30%, а масса образца эквивалентна прототипу. Опорные узлы при этом использовались многократно для подкрепления торцов панелей с различным шагом стрингеров продольного набора.Manufactured prototypes of the device for panels with different geometry of the power longitudinal set, laboratory tests of a series of full-scale stringer panels, taking into account the moisture and fuel saturation of the laminated material, changes in temperature conditions, as well as with technological defects, operational damage and their repair in the test area of a multi-span panel, confirmed the positive effect of the proposed technical solution, namely, increasing the reliability of the result obtained by 25-30%, and the mass of the sample is equivalent to the prototype. In this case, the supporting nodes were used many times to reinforce the ends of the panels with different pitch of the stringers of the longitudinal set.

Claims (6)

1. Образец для испытания многопролетных подкрепленных панелей, представляющий собой панель с боковыми стенками, опорными узлами на торцах панели и нервюрами, отличающийся тем, что поверхности панели выполнены из слоистого композиционного материала, а опорные узлы выполнены в виде соединенных между собой стяжными элементами жестких обойм с размещенными между ними враспор клиновидными вкладышами, между которыми размещены упругие элементы.1. A sample for testing multi-span reinforced panels, which is a panel with side walls, support nodes at the ends of the panel and ribs, characterized in that the surfaces of the panel are made of a laminated composite material, and the support nodes are made in the form of rigid clips connected to each other by tightening elements with wedge-shaped inserts placed between them, between which elastic elements are placed. 2. Образец для испытания многопролетных подкрепленных панелей по п. 1, отличающийся тем, что упругие элементы закреплены на фиксаторах клиновидных вкладышей.2. A sample for testing multi-span reinforced panels according to claim 1, characterized in that the elastic elements are fixed on the clamps of the wedge-shaped liners. 3. Образец для испытания многопролетных подкрепленных панелей по п. 1, отличающийся тем, что опорные узлы нагружаемых торцов панелей из слоистых композиционных материалов различной геометрии выступают за крайние нервюры на длину, равную 0,6-1,1 от толщины обшивки.3. A sample for testing multi-span reinforced panels according to claim 1, characterized in that the support nodes of the loaded ends of panels made of laminated composite materials of various geometries protrude beyond the extreme ribs by a length equal to 0.6-1.1 of the sheathing thickness. 4. Образец для испытания многопролетных подкрепленных панелей по п. 1, отличающийся тем, что нагружаемые параллельные торцы панелей из слоистых композиционных материалов выступают за опорные узлы на длину, равную 20-30% от толщины обшивки.4. A sample for testing multi-span reinforced panels according to claim 1, characterized in that the loaded parallel ends of the panels made of laminated composite materials protrude beyond the support nodes by a length equal to 20-30% of the skin thickness. 5. Образец для испытания многопролетных подкрепленных панелей по п. 1, отличающийся тем, что отношение диаметра стяжных элементов, проходящих с зазором через торцевую зону, закрепляющих опорные узлы на торцах панели из слоистых композиционных материалов и расположенных в промежутке между стрингерами продольного силового набора, к толщине обшивки лежит в диапазоне 1,1-1,7 с твердостью материала крепежа не менее 37 HRC.5. A sample for testing multi-span reinforced panels according to claim 1, characterized in that the ratio of the diameter of the tightening elements passing with a gap through the end zone, fixing the support nodes at the ends of the panel made of laminated composite materials and located in the interval between the stringers of the longitudinal force set, to the thickness of the cladding is in the range of 1.1-1.7 with the hardness of the fastener material at least 37 HRC. 6. Образец для испытания многопролетных подкрепленных панелей по п. 1, отличающийся тем, что количество нервюр на одну больше количества пролетов.6. A sample for testing multi-span reinforced panels according to claim 1, characterized in that the number of ribs is one more than the number of spans.

Images