Введение

Важность применения композитов в элементах конструкций летательных аппаратов связана с необходимостью улучшения их тактико-технических характеристик, таких как надежность, ресурс и т. п. [1, 2]. Это объясняется тем, что ряд композитов обладает более высокими по сравнению с традиционно применяемыми металлами (например, алюминиевыми сплавами) удельными механическими свойствами: модулем упругости, демпфирующей способностью, выносливостью и т. д. Именно к таким материалам относятся и металлополимерные композиционные материалы (МПКМ) [3, 4]. Кроме того, часто необходимо осуществить ремонт и модернизацию самолетного парка для продления ресурса эксплуатации воздушных судов. В этом случае применение современных МПКМ взамен алюминиевых сплавов становится единственным выходом в сложившейся ситуации.

Как показывает практика, МПКМ, состоящие из слоев алюминиевых сплавов и полимерных композитов, имеют бо́льшую выносливость, чем традиционные алюминиевые сплавы [5, 6]. Это объясняется тем, что трещины в алюминиевых слоях, зародившиеся из-за динамических нагрузок в конструкции, как правило, прекращают свое интенсивное развитие благодаря слоям полимерных композитов. Вместе с тем известно, что ~60 % авиационных аварий, обусловленных техническими причинами, связано именно с вибрационным нагружением в диапазоне относительных деформаций (50–200)·10^–5, а значит и с выносливостью применяемых в конструкции летательных аппаратов материалов.

Однако применение новых материалов требует знания их физико-механических характеристик (модуля упругости, демпфирующих свойств, выносливости), которые необходимы конструкторам при создании новой техники. Определение таких характеристик возможно путем испытаний образцов новых материалов, так как их практически невозможно получить при эксплуатации изделия в целом. Причем условия испытаний образцов должны быть максимально приближены к условиям нагружения материала при эксплуатации в составе изделия. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию зависимости динамического модуля упругости, логарифмического декремента колебаний и коэффициента Пуассона при изгибном нагружении образцов от уровня относительных деформаций и структуры МПКМ. Диапазон частот нагружения образцов составлял 500–1000 Гц, уровень относительных деформаций изменялся от 50×10^–5 до 250×10^–5 [7–10]. Именно в этих диапазонах частот и относительных деформаций и работает материал обшивок самолета. Такие испытания позволят выбрать рациональные структуры МПКМ с точки зрения обеспечения необходимой жесткости и демпфирования натурных обшивок самолета, разработать технологию их изготовления и существенно сократить сроки доводки изделия. Однако методы испытаний образцов из композитов при таких условиях нагружения недостаточно разработаны, чем и определяется актуальность данной тематики.

Поэтому в данной работе представлены: методика определения упругодемпфирующих свойств образцов из МПКМ при высокочастотных изгибных колебаниях и высоких уровнях относительных деформаций; оборудование для осуществления таких испытаний; методика проведения испытаний образцов из натурных панелей с различной структурой, а также разработка рациональных, с точки зрения использования в реальных конструкциях, структур материала панелей.

Для осуществления данной задачи выбрана методика определения упругодемпфирующих свойств МПКМ при резонансных изгибных колебаниях образцов по основной форме, подвешенных на струнах в узловых линиях. Для возбуждения резонансных колебаний в образцах, использовали воздушный вибровозбудитель колебаний. С помощью этой методики проведены испытания образцов натурных панелей из МПКМ. Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Методы измерения модулей упругости материалов весьма разнообразны. Они отличаются друг от друга характером механического воздействия на образец, видом возникающего в образце деформированного и напряженного состояния, родом наблюдаемых в эксперименте величин, типом применяемой аппаратуры [11, 12].

В области звуковых частот (10²–3·10⁴ Гц) применяют методы, отличительной чертой которых является отсутствие специальной инерционной системы, связанной с образцом. В данном случае (в особенности для материалов с высоким внутренним трением) наиболее удобным и точным оказывается резонансный способ. Он заключается в том, что в образце возбуждают резонансные колебания и по значению собственной частоты колебаний образца определяют динамический модуль упругости.

Используемый в данной работе метод определения динамического модуля упругости основан на замере частоты колебаний образца, которые возбуждаются модулированной струей сжатого воздуха. Блок-схема и внешний вид установки для испытаний приведены на рис. 1. Установка предназначена для испытаний материалов при комнатной температуре на частотах ~(10²–10⁴) Гц в широком диапазоне амплитуд колебаний.

Рис. 1. Внешний вид (а) и блок-схема (б) установки для резонансных испытаний композиционных материалов: 1 – сопло; 2 ‒ модулирующий диск; 3 – объект испытаний; 4 – тензоусилитель; 5 – прибор контроля относительной деформации; 6 – электронный осциллограф; 7 – звуковой генератор; 8 – частотомер

Для испытаний использовали призматические образцы в виде стержней размером 80´20´(1÷2,5) (возможны и другие размеры образцов). Стержень подвешивают на гибких струнах (в специальном приспособлении – рис. 2) в узловых линиях основной формы изгибных колебаний стержня со свободными концами, расположенными на расстоянии 0,224l от торцов стрежня. Схема крепления образцов и форма их колебаний представлены на рис. 3.

Вычисление динамического модуля упругости (в Па) производят по соотношению

                                       (1)

где l и h – длина и толщина стержня, м; ρ – плотность, кг/м³; k = 4,73 – корень характеристического уравнения частот; f – собственная частота колебаний, измеряемая экспериментально, Гц.

Для более точного определения динамического модуля упругости необходимо закреплять образец строго в узловых линиях основной формы изгибных колебаний и точно измерять собственную частоту колебаний стержня, поэтому ее замер производили электронным частотомером, который позволяет измерять частоту с точностью до 0,1 Гц.

Коэффициент Пуассона определяют как отношение продольных и поперечных деформаций при колебаниях стержня, измеряемых тензодатчиками. Для увеличения точности определения коэффициента Пуассона использовали тензодатчики из фольги.

Рис. 2. Крепление образцов в приспособлении

Рис. 3. Схема крепления образцов и форма колебаний

Для определения внутреннего трения в материале в широком диапазоне частот нагружения и амплитуд напряжений наиболее приемлемым является способ оценки внутреннего трения по относительной ширине резонансной кривой, который и использовали при проведении исследований [13–15].

В качестве параметра, характеризующего рассеяние энергии в материале, принят логарифмический декремент колебаний (d), который определяют по ширине резонансной кривой при изгибных колебаниях стержня со свободными концами, подвешенного на струнах в узловых линиях. Подвеска на струнах практически полностью исключает влияние условий закрепления на рассеяние энергии при колебаниях стержня и обеспечивает высокую точность и стабильность результатов экспериментов (рис. 1–3).

Расчетное соотношение для определения δ имеет вид

                                                              (2)

где δ – декремент колебаний; f – резонансная частота; Δf – ширина резонансной кривой, соответствующая относительным деформациям, равным 0,707 от максимальной величины.

Результаты и обсуждение

В табл. 1 представлены геометрические размеры (l_max – максимальная длина; h_ср, b_ср – средние толщина и ширина стержня), масса и структура образцов для определения упругодемпфирующих свойств МПКМ.

Таблица 1

Характеристики исследуемых образцов

Для проведения испытаний на образцы МПКМ наклеивали тензометры с базой 5 мм. Уровень максимальных относительных деформаций замеряли с помощью датчика, наклеенного вдоль оси образца; коэффициент Пуассона определяли с помощью датчика, наклеенного в ортогональном направлении; логарифмический декремент колебаний определяли по ширине резонансной кривой на уровне 0,707e_max. Характерный вид резонансной кривой для исследуемых образцов представлен на рис. 4.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика образца 7.1 АЛОР-2/1-1,8 мм (α = 0°, растяжение 0,6 %)

Результаты исследования упругодемпфирующих характеристик представлены в табл. 2 и проиллюстрированы на рис. 5–7 (где ε – амплитуда относительной деформации; f_р – резонансная частота; f_max – верхняя частота, соответствующая 0,707ε_max; f_min – нижняя частота, соответствующая 0,707ε_min; E – модуль упругости; μ – коэффициент Пуассона; δ – логарифмический декремент колебаний).

Таблица 2

Упругодемпфирующие характеристики

Рис. 5. Изменение логарифмического декремента колебаний для композитов СИАЛ с разной структурой

Рис. 6. Изменение логарифмического декремента колебаний для композитов АЛОР-2/1-1,5 с разной укладкой

Рис. 7. Изменение логарифмического декремента колебаний для композитов АЛОР с разной структурой

Анализ результатов испытаний показывает, что значения динамического модуля упругости и коэффициента Пуассона для исследуемых образцов панелей МПКМ находятся в диапазонах Е = (5,50–7,2)·10¹⁰ Па и μ = 0,24–0,35, практически не зависят от уровня нагружения в исследуемом диапазоне относительных деформаций ((50–200)·10^–5) и близки к значениям модуля упругости и коэффициента Пуассона для деформируемого алюминиевого сплава Д16ч-АТ (табл. 2). Демпфирующая способность (логарифмический декремент колебаний) незначительно зависит от структуры МПКМ и в исследуемом диапазоне изменения относительных деформаций не превышают 5 %. Это объясняется тем, что композит находится вблизи нейтрального слоя и при изгибных колебаниях образцов практически не участвует в рассеянии энергии. В то же время логарифмический декремент колебаний сплава Д16 не превышает 0,6 %.

Заключения

В результате исследований выявлено:

‒ разброс значений динамического модуля упругости и коэффициента Пуассона обусловлен структурными особенностями образцов, т. е. соотношением доли композита и алюминиевого сплава и содержанием клеевой матрицы в составе композитного слоя;

– в исследуемом диапазоне изменения относительных деформаций логарифмический декремент колебаний в зависимости от структуры МПКМ составил от 1 до 5 %.

Для образцов из МПКМ установлено:

– при изменении угла вырезки образца от 0 до 45 градусов к оси армирования величина декремента увеличивается на 1,5–2 %;

– уровень остаточной деформации (от 0 до 3 %) в предварительно растянутых образцах незначительно влияет на величину декремента;

– термовлажностное воздействие также незначительно влияет на величину декремента.

Логарифмический декремент колебаний образцов из сплава Д16ч-АТ не превышает 0,6 %.

В дальнейшем необходимо провести исследования выносливости МПКМ с целью выявления их преимуществ по сопротивлению усталости по сравнению с алюминиевыми деформируемыми сплавами.

Необходимо продолжить исследования динамической прочности (выносливости и демпфирования) элементов натурных конструкций планера самолета из МПКМ (фрагментов заклепочных соединений и т. д.) при высокочастотном динамическом нагружении.