книги из ГПНТБ / Детали из стеклопластика в судовом машиностроении

прибор ИД-61М с ценой деления реохорда 1- ІО-5 (в единицах отно­ сительной деформации г).

В связи с тем, что сопротивление датчиков находится в пределах 144,7— 144,9 Ома, а прибор имеет типовую тарировку для датчиков с сопротивлением 120 Ом, перед началом работы прибор был оттарирован в соответствии с инструкцией. При этом коэффициент чувствительности прибора получился равным k = 1,98.

Сопоставив варианты I и III, II и IV, видим, что деформации имеют близкие значения в сжатой и растянутой зонах, т. е. датчики работают одинаково при сжатии и растяжении. Средние значения величины X по каждому варианту достоверны, так как показатели точности не превышают 2,6—3,25%.

Если бы датчики обладали только продольной тензочувствительностью *, то отношение коэффициентов ky!kx (формулы 119), (120)) зависело бы только от коэффициента Пуассона материала и равня­ лось бы ему: ky!kx = р.

Следует отметить, что по результатам, приведенным в табл. 25, отношение коэффициентов k j k x не равно коэффициенту Пуассона материала цху. Коэффициент Пуассона \іху для стеклопластика со­ ставляет 0,13, а отношение kylkx изменяется в пределах 0,165— 0,179 (результат отношения ktJ k x, равный 0,189, является анор­ мальным и при подсчете отвергнут, как резко отличающийся от остальных).

Отсюда можно сделать вывод, что на результаты измерений

деформаций ех и гу оказывают влияние петли датчика. Предположим, что датчик, наклеенный под углом 45° к оси, фиксирует истинную деформацию, т. е.

* Выпускаемые в настоящее время безпетлевые датчики являются наилучшими для тензометрии на деталях из анизотропных материалов. Для них коэффициент тензочувствительности не зависит ни от поля напряжений, ни от ориентировки дат­ чика по отношению к осям симметрии материала, что существенно упрощает тари­ ровку датчиков и обработку результатов тензометрии. Безпетлевые датчики обла­ дают только продольной тензочувствительноетью.

Ц 9

Тогда

получается равным 0,43.

Но из табл. 25 среднее значение ki5lkx равно 0,427 (результат 0,381 является анормальным и при подсчете средней величины отброшен). Отсюда можно сделать вывод, что экспериментально полученное отношение kib!kx близко к теоретическому. Следова­

тельно, на результат измеренной деформации 645 петли датчика не влияют. Вычисленная поправка %для петлевых датчиков, наклеен­ ных на балки из стеклопластика, составила величину, равную 0,0428.

В литературе имеются сведения, что величина %для датчиков петлевой конструкции с базой 5—20 мм, наклеенных на балки из металла, находится в пределах 0,01—0,05.

Введем поправку % и в формулы, определяющие главные напря­ жения в конструкциях из стеклопластика.

Рассмотрим случай совпадения главных напряжений с осями х и у (основой и утком материала). Деталь из стеклопластика нахо­ дится в условиях плоского напряженного состояния. Известно, что в этом случае главные напряжения определятся по известным фор­ мулам (104). Подставим выражения (124) в (104) и получим формулы для вычисления главных напряжений оу и о 2 по деформациям тензо­ датчиков:

оі = АЕх [ех (і — а д ) — гу (% — рух)\,

где ох, Оу, хху — нормальные и касательные напряжения, действу­ ющие вдоль осей х и у, вычислены с учетом конструкции петле­ вых датчиков по формулам

15 0

После подстановки экспериментально вычисленных значений А,

%> Ех, Еу, Gxy, ^іуХ и [іХу для стеклопластиков СТЭТ и СТЭР окон­ чательно получим

Уточненная методика тензометрии позволяет непосредственно перейти к определению величины и направления главных напряже­ ний в стеклопластиковых лопастях судовых гребных винтов, судо­ вых обтекателях и других деталях судового машиностроения.

При плоском напряженном состоянии для ортотропного мате­ риала напряжения, действующие вдоль осей упругой симметрии, определяются формулами (130), а направление и величина главных напряжений — зависимостями (104).

Для нахождения напряжений, действующих вдоль осей упругой симметрии, например в лопасти гребного винта, достаточно изме­

рить деформации ех, ги и 645 в направлении основы, утка и диаго­ нальном.

Так как стеклопластиковые детали до разрушения деформи­ руются упруго 16], можно по указанной методике расчета подсчи­ тать нормальные напряжения, действующие в исследуемых точках перед разрушением. Кроме того, можно определить главные напря­ жения в исследуемых точках и их ориентацию относительно осей упругой симметрии материала.

Решая уравнения (41) гл. II обобщенного закона Гука относи­ тельно напряжений, действующих вдоль осей упругой симметрии ортотропного материала, можно определить напряжения нормаль­ ные и касательные, действующие в детали, испытывающей объемное напряженное состояние.

§ 15

Контроль качества готовых изделий разрушающими методами

Стендовые испытания лопастей гребных винтов и лопаток рабо­ чих колес насосов (рис. 81) производятся по схеме консольной жестко заделанной балки, загруженной сосредоточенной силой, приложенной по оси лопасти на расстоянии 0,65/?в от оси винта. Расстояние от точки приложения силы до заделки / = 0,40/?в. Лопасти гребных винтов зажимаются комлевой частью в специально изготовленных приспособлениях [3]. Нагрузка создается пуансо­ ном, закрепленным на станине гидравлического пресса и установлен­ ным нормально к нагнетающей поверхности лопасти.

Чтобы не было смятия, в районе приложения нагрузки на ло­ пасть накладывается шайба с наклеенной на нее резиной, в которую опирается пуансон.

151

При испытаниях измеряются деформации в соответствующих точках перемещения (прогибы) свободных концов лопастей и раз­ рушающие нагрузки.

Замеры деформаций растяжения—сжатия производились в точ­ ках нагнетающей и засасывающей поверхности на радиусах, пока-

Рис. 81. Схема стендовых испытаний лопасти с наклеенными тензометрами.

занных на рис. 81. Для этого на лопасти наклеивались проволочные тензометры сопротивления (датчики). При испытаниях использова­ лись тензометры с базой S6 = 15 мм и сопротивлением R = 142 Ома.

Компенсационные датчики наклеивались на отдельную стекло­ пластиковую балку. На каждую исследуемую точку наклеивалась розетка, состоящая из трех датчиков. Два из них накладывались вдоль осей упругой симметрии (основы и утка), а третий — под углом 45° к первым двум. Оси упругой симметрии находились пред­ варительно импульсным методом.

152

Нагружение лопастей производилось ступенями. Скорость нагру­ жения каждой ступени соответствовала 2000 кгс/мин. Время, необ­ ходимое для записи показаний датчиков, составляет 1—3 мин, в за­ висимости от количества наклеенных датчиков. Показания датчиков в течение этого времени отличались стабильностью.

Для устранения возможных зазоров в заделке лопасти предва­ рительно нагружались определенным усилием. Показания прогибомера (индикатора) и тензометров при этой нагрузке принимались

за начало отсчета. Деформации записывались на каждой ступени нагружения. С целью проверки стабильности измеряемых деформа­ ций, а также проверки отсутствия остаточных деформаций испытания производились в три этапа: 1-й этап — лопасть нагружается ступе­ нями до нагрузки, соответствующей 80% от предполагаемой разру­ шающей; 2-й этап —■разгрузка осуществляется ступенчато, запись деформаций производится на каждой ступени разгрузки; 3-й этап — повторное ступенчатое нагружение до разрушения лопасти.

Проиллюстрируем изложенную методику на примере испытаний лопасти винта диаметром 3 м (винт турбоэлектрохода «Абхазия», рис. 82). Схема наклейки тензометров на эту лопасть показана на рис. 81. Всего было наклеено 54 датчика в 18 контрольных точках и 5 компенсационных датчиков.

При статических испытаниях отсчет нагрузки производился по шкале силоизмерителя, цена деления при этом составляла 200 кгс, а погрешность измерения 2%. Показания тензометров регистриро­

153

вались двенадцатиканальными тензометрическими станциями типа «Орион».

Прогиб свободного конца лопасти замерялся с точностью до 0,01 мм при помощи прогибомера Аистова. Прогибомер был уста­ новлен по оси упругой симметрии (основе) на расстоянии 4 мм от кромки лопасти. Лопасть винта турбоэлектрохода «Абхазия», уста­ новленная на прессе для испытаний, показана на рис. 83.

Сначала лопасть была предварительно нагружена усилием 2 тс, а показания прогибомера и тензометров при этой нагрузке были приняты за начало отсчета. Дальнейшее нагружение лопасти произ­ водилось ступенчато через 4 тс до 34 тс с последующей ступенчатой

Рис. 84. Зависимость прогиба конца лопасти от прилагаемой нагрузки при первом (1) и втором (2) нагружении.

разгрузкой до 2 тс. При этом через каждые 4 тс делались остановки на 3 мин для записи деформаций и прогиба. На третьем этапе нагру­ жение производилось ступенчато через 4 тс до момента разрушения. Скорость нагружения и разгрузки на каждой ступени была постоян­ ной. Нагрузка, соответствующая началу разрушения, определялась по диаграммам нагрузка—прогиб и нагрузка—деформация датчиков, наклеенных в опасном сечении лопасти, как точка перехода прямо­ линейного участка в криволинейный.

Лопасть до разрушения в целом деформировалась упруго. На первом этапе испытаний при нагрузках 26—30 тс было слышно потрескивание лопасти. При осмотре лопасти после нагружения до 34 тс в районе заделки комля лопасти на относительном радиусе

г ^ 0,23RB были обнаружены трещины. В дальнейшем эти трещины развивались, что привело к утрате несущей способности лопасти при нагрузке 50 тс. После испытаний была построена зависимость между прогибом конца лопасти и прилагаемой нагрузкой на первом и втором этапах нагружения (рис. 84).

Для каждого датчика строились зависимости деформаций от нагрузки. Эти зависимости приведены на рис. 81, 82 и в табл. 26.

Из рис. 85 и 86 видно, что до нагрузки, соответствующей началу разрушения, мы имеем дело в основном с упругими деформациями.

154

Рис. 85. Зависимость деформаций от нагрузки для датчи­ ков № 1,2, 3 (зона растяжения).

1 — первое загруж ение; 2 — разгрузка; 3 — второе загруженис.

Рис. 86. Зависимость деформаций от нагрузки для датчиков № 28, 29, 30 (зона сжатия).

Обозначения те же, что на рис. 85.

Таблица 26

Предельные относительные деформации и напряжения в расчетных точках лопастей гребных винтов

Для всех датчиков до нагрузки Р — 30 тс характерен прямолинейный участок. При снятии нагрузки исчезают и деформации.

Характер изменения нагрузки при разрушении лопасти винта диаметром 3 м показан на рис. 87. Установлено, что падение нагрузки (вертикальные линии на рис. 87) сопровождается резким возраста­ нием уровня акустических шумов, связанных с локальными нару­ шениями структуры материала и с последующим перераспределением напряжений в связующем.

Рис. 87. Характер изменения нагрузки при стендовых испытаниях.

Цифры — нагрузка (в тс) для лопасти винта диаметром 3 м.

В табл. 26 приводятся предельные относительные деформации гх, гу и е45 в различных точках на нагнетающей и засасывающей сторо­ нах лопастей при стендовых испытаниях. Эти значения подставим

нения основы от геометрической оси лопасти фь найденный импульс­ ным методом в точках В и В', равен 5° [16].

На рис. 88 показана ориентировка главных напряжений в ло­ пасти винта диаметром 3 м. За положительное направление напря­ жений принято направление от оси винта к кромке лопасти. В этом направлении откладываются растягивающие напряжения, в про­ тивоположном — сжимающие. Положительный угол ф отсчиты­ вается от основы материала против часовой стрелки. Из рис. 88 видно, что главные напряжения отклоняются от основы материала в сторону геометрической оси лопасти. В точках А, В, С, А', В',

лопасти. В районе кромок лопасти направление осей упругой сим­ метрии не определялось. Однако можно предположить, что большие

1 5 8

значения углов в точках М, М ', N ', Р', F, F' вызваны значительной кривизной сечений вблизи кромок.

На рис. 89 даются эпюры распределения главных напряжений по сечениям для лопасти винта диаметром 3 м. Максимальные глав­

напряжений, то напряженное состояние окажется опасным. Это зна­ чит, что поверхности прочности, построенные в четырех октантах пространства напряжений (см. гл. Ill), позволяют оценить, насколько опасно напряженное состояние стеклопластиковой детали.

Предельными называются относительные деформации, соответ­ ствующие нагрузкам начала разрушения. Значения нагрузок начала разрушения Р для лопастей винтов различных диаметров, а также результаты определения напряжений ах, ау, хху, действующих по

159