книги / Экспериментальные исследования тонкостенных конструкций

рам в этом случае несущественно влияет на критическую'нагрузку (в среднем до 5 %).

На примере рассмотренных оболочек, при потере устойчивости кото* рых в основном происходит закручивание подкрепляющих рамина-

видно, что принятый способ подкрепления нерационален, поскольку изгибная жесткость элементов рамы используется незначительно. По­ ведение рамы при выпучивании оболочки здесь аналогично поведению сжатого стержня на мягких упругих опорах по концам, потеря устой­ чивости которого происходит в виде перекоса прямого стержня с осад­ кой опор. Изменение граничных закреплений стержня, состоящих в недопущении смещения опор, приводит часто к значительному повы­ шению критической нагрузки. Поэтому и в случае подкрепления обо­ лочки рамами необходимо существенно ограничивать перемещения уг­ лов рамы, например, с помощью установки достаточно жестких окайм­ ляющих шпангоутов в уровне криволинейных краев отверстий.

Двумя окаймляющими шпангоутами (£„, = 2) уголкового попереч­ ного сечения размером 8 X 6 X 0,5 мм подкреплялись оболочки се­ рий В, Вх и Д, Д,. Шпангоуты располагались на внутренней поверх­ ности оболочки и прикреплялись.к обшивке более узкой полкой. Резуль­ таты испытания оболочек этих серий приведены в табл. 3.18. Отметим, что оболочки серий В и Д подкреплялись рамами с уголковым попе­ речным сечением 6 x 6 x 1 мм, а оболочки серий Вх и Дх — 8 X 8 X X 1 мм, вместе с тем оболочки серий Д иДг подкреплялись рядовыми стрингерами.

Как и следовало ожидать, дополнительное подкрепление окаймля­ ющими шпангоутами увеличило критическую нагрузку на 30—50 %, причем большее увеличение наблюдалось для оболочек с более жест­ кими рамами. Это видно из сравнения соответствующих значений кри­ тических сил в табл. 3.17 и 3.18. Существенно изменилась и форма по­ тери устойчивости. На рис. 3.20 показана форма выпучивания оболо­ чек серии В. Можно заметить, что окаймляющие шпангоуты, а также кольцевые элементы рамы здесь не получили радиального перемещения, выпучивание сосредоточено между шпангоутами. При потере устойчи­ вости оболочек, подкрепленных стрингерами (серии Д и Д^), вмятины захватывают и шпангоуты (рис. 3.21). Здесь, как и для оболочек без

91

В табл. 3.20 приведены результаты испытания оболочек, дополни­ тельно подкрепленных двумя окаймляющими шпангоутами (km = 2) с уголковым поперечным сечением размером 8 X 6 X 0,5 мм. Как и рассмотренные выше (см. табл. 3.19), оболочки этих серий также под­ креплены окаймляющими и рядовыми стрингерами. Сравнивая резуль­ таты, приведенные в табл. 3.19 и 3.20, можно сделать вывод о том, что

нагруженных крутящим момен­ том. Устойчивость оболочек с отверстиями при действии кручения изу­

чалась на примере описанных ранее серий оболочек Д и Д2, подкреплен­ ных окаймляющими и рядовыми стрингерами, а также окаймляющи­ ми шпангоутами. В отличие от испытаний на осевое сжатие, где были рассмотрены три вида окаймляющих стрингеров, здесь исследуем обо­ лочки, подкрепленные уголковыми ребрами с поперечным сечением размером 6 х 6 X 1 и 10 X 10 X 1 мм. В дополнение к_оболочкам

указанных серий были испытаны также оболочки серии Д,, которые

94

на оболочках серий Д и Д2. По три оболочки каждой серии нагружа­ лись в такой последовательности: сначала прикладывалась осевая сила, равная примерно половине найденного ранее критического значения, затем оболочка плавно нагружалась крутящим мо­ ментом, значение которого фиксировалось в момент потери устойчи­ вости. Приложенная осевая сила Р и зафиксированный крутящий момент М к являются первым критическим сочетанием нагрузок.

Еще по три оболочки каждой серии сначала нагружались крутя­ щим моментом, который составлял примерно V3 найденного ранее

критического значения при действии только кручения, затем плавно нагружались осевой силой до потери устойчивости. Таким образом получено второе критическое сочетание нагрузок. Результаты испы­ таний представлены в табл. 3.22.

Формы потери устойчивости оболочек при первом сочетании на­ грузок не отличались от приведенных ранее при действии кручения;

формы выпучивания оболочек серий Д и Д2 при втором сочетании на­ грузок показаны на рис. 3.26. Как и в случае действия только крутя­ щего момента, форма выпучивания представляет собой косые вмятины. Однако прикладывание больших осевых сил приводит к существенным изменениям формы потери устойчивости: изгибаются окаймляющие стрингеры, а косые вмятины становятся более широкими в оболочках серии Д, в которых жесткость окаймляющих ребер меньшая.

По критическим нагрузкам, приведенным в п. 3.2.1 и 3.2.2, при действии осевого сжатия или крутящего момента и полученным здесь критическим сочетаниям нагрузок на рис. 3.27 построены диаграммы критических состояний. Утолщенная линия соответствует оболочкам

серии Д, а тонкая — Д2. Как видно из графика, кривая критических состояний оболочки серии Д является выпуклой. Этим свойством не обладает кривая для оболочек другой серии. Как показали наблюде­ ния, здесь была потеря устойчивости стенки окаймляющего стрингера

97

но расположенными сквозными прямолинейными усталостными тре­ щинами. Трещины создавались в пластинах, в которых предваритель­ но были сделаны узкие разрезы с остроугольными концентраторами на концах для обеспечения нужного направления развития трещин. Пластины устанавливались на испытательной машине ЦДМУ-10 и подвергались повторно-переменным нагрузкам с частотой 14 Гц в ре­

жиме асимметричного цикла до об­ разования трещины длиной 3—5 мм в каждую сторону от разреза. Ко­ эффициент асимметрии колебался в пределах 0,05—0,2 в зависимости от материала. Максимальная на­ грузка в сечении брутто пластины не превышала 0,5<JO,2 и была мень­ ше нагрузки, вызывающей локаль­ ную потерю устойчивости пластин. Число циклов нагружения состави­

ло 10 000—20 000, при этом пластические деформации на кончике трещины не возникали. После образования трещины пластины без до­ полнительной термообработки испытывались вплоть до их разруше­ ния, что соответствовало реальным условиям работы тонкостенных эле­ ментов конструкций с трещинами.

Испытание пластин производилось на машинах типа ЦДМ. Схема испытаний приведена на рис. 3.28. Для установки в испытательную машину пластина 4 по всей ширине зажималась болтами 3 в специаль­ ные разъемные захваты, состоящие из корпуса 1 и накладки 2, для чего в пластинах по специальному кондуктору сверлились отверстия. Внутренние поверхности корпуса захвата и накладки снабжались насечкой, что обеспечивало равномерное распределение усилия по

99

плоскости пластины и исключало ее проскальзывание в захватах под нагрузкой.'Отсчет нагружающего усилия производился по шкале силоизмерителя испытательной машины.

За параметры, характеризующие выпучивание пластин, принима­ лись разность деформации Де двух сторон пластин, изменение кривиз­ ны х ее поверхности и прогиб W. Измерение этих величин произво­ дилось в непосредственной близости от берега трещины посередине плас­ тины. Измерение деформаций производилось проволочными тензорезисторами типа 2ПКБ (с базой 10—20 мм), которые наклеивались на пластину с двух сторон вдоль берегов трещины. Отсчет показаний при этом производился с помощью прибора СИД-1.

Изменения кривизны х поверхности пластин в процессе их дефор­ мирования измерялись однокомпонентными пневматическими кривизномерами [58], устанавливаемыми так, чтобы их база была направлена параллельно берегу трещины. Крепление кривизномеров на пластине осуществлялось с помощью специальной прижимной скобы.

В процессе нагружения пластин измерялись прогибы W в зоне, прилегающей к трещине, с помощью многоточечного прогибомера (рис. 3.28) [60]. На пластину вдоль берега трещины строго друг про­ тив друга устанавливались две несущие платы 6, которые с помощью трех шариков 9 опирались на пластину вблизи ее краев, т. е. в местах, где зона выпучивания отсутствовала. Прижатие плат к пластине осу­ ществлялось пружинами 7. В платах также строго друг против друга в гнездах размещались измерительные сопла 10. Такое расположение

уравновесить контактные усилия от шариков прогибомера и от изме­ рительных сопел. Конструкция прогибомера позволяла определить не только критическую нагрузку, соответствующую потере устойчивости, но и исследовать форму потери устойчивости и закритическую дефор­ мацию пластин.

Нагружению подвергались пластины из различных материалов: сталей, алюминиевых и титановых сплавов. Основными геометрически­ ми параметрами пластин были: рабочая длина 21, ширина 2Ь, толщина h, длина трещины 2/г. Для всех испытанных пластин 2/ = 500 мм; 2b = = 250 мм; значение h варьировалось в пределах 0,4—2,0 мм; 21т вы­ биралось с таким расчетом, чтобы было исключено влияние краев пла­ стины на результаты испытаний (как показали исследования, при

-у- < 0,5 этим влиянием можно пренебречь).

3.3.2. Определение критических напряжений, соответствующих потере устойчивости. В процессе нагружения пластин определялась зависимость величин Ц7, х и Де от напряжения а и строились диаграм­ мы деформирования. Типичная диаграмма деформирования «U7 — а»

дщя пластины из материала Д16Т с параметрами h = 0,98 м м и у =

0,2 приведена на рис. 3.29. Диаграммы деформирования «х — сг» и «Де — а» имели аналогичный вид [60]. Как следует из рисунка, на­ блюдалась потеря устойчивости пластины, отличающаяся от той, ко­

100