Комплекс конструкторских разработок "Сызрань-3"
Исследования
Экспериментальное исследование влияния высокопористого наполнителя
на жесткость длинной полой балки малого поперечного сечения
Несущая балка лопасти несущего винта представляет собой длинную полую балку небольшого поперечного сечения. Обеспечение её жесткости – это обязательное условие работоспособности несущего винта.
В ходе обсуждения конструкции несущей балки лопасти несущего винта, у авторов появилась гипотеза о том, что внутренние напряжения в материале балки, создаваемые высокопористым наполнителем, повышают жёсткость балки. С целью проверки этой гипотезы было решено провести научный эксперимент по исследованию влияния высокопористого наполнителя на прогиб длинной полой балки малого поперечного сечения. Была разработана методика экспериментальных исследований.
Для экспериментального определения жёсткости балки исследовалась статически определимая система (рис. 1).
Рис. 1. Схема закрепления и нагружения балки для экспериментального определения её жесткости
L – длина балки,
q – распределённая нагрузка,
q0 – распределенная масса балки (
),Р – сосредоточенная нагрузка.
При проведении эксперимента использовались следующие материалы и оборудование: балка (труба квадратного сечения 25х25, L=401 мм, материал АМГ6, электродрель, сверло, штангенциркуль, рулетка, линейка, нить, грузы, пена монтажная MacroFlex, электронные весы.
При проведении исследований масса исходной балки определялась взвешиванием на электронных весах: М0 =1.948 кг
После этого определялся прогиб исходной балки у0 от собственной массы М0. Для измерения прогиба натягивалась тонкая нить. Начальный прогиб исходной балки составил:
уН0 = 12 мм = 0.012 м.
Была зафиксирована зависимость прогиба исходной балки у0 от нагружения в точке середины балки массой Р. При этом
q0 = M0/L = 1.948/4.01 = 0.486 кг/м.
q0 = M0/L = 1.948/4.01 = 0.486 кг/м.
На втором этапе балку заполняли монтажной пеной через отверстия, просверленные с максимальным шагом по длине балки в двух противоположных стенках. После затвердевания пены заполненная балка была взвешена на электронных весах. Её масса составила:
М = 2.332 кг.
Начальный прогиб заполненной балки составил:
уН = 12.25 мм = 0.01225 м.
Масса балки с наполнителем:
q = M/L = 2.332/4.01 = 0.582 кг/м.
Далее была определена зависимость прогиба заполненной балки у от нагружения в точке массой Р. После проведения эксперимента следовало построить графические зависимости жёсткостей исходной и заполненной балок.
Жёсткости исходной и заполненной балок вычислялись по теоретической формуле:
Результаты эксперимента были занесены в таблицу 1.
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований жесткости балки
| Масса груза Р, кг | Прогиб исходной балки у0, м | Прогиб заполненной балки у, м | Жёсткость исходной балки (EJ)0, Н•м2 | Жёсткость заполненной балки (EJ), Н•м2 |
| 0 | 0.012 | 0.01225 | 110.8 | 130.0 |
| 0.046 | 0.013 | 0.01225 | 107.0 | 135.0 |
| 0.092 | 0.014 | 0.0125 | 103.8 | 137.2 |
| 0.138 | 0.0145 | 0.01275 | 104.5 | 139.4 |
| 0.184 | 0.015 | 0.013 | 105.1 | 141.5 |
| 0.276 | 0.0155 | 0.01425 | 109.7 | 137.7 |
| 0.476 | 0.018 | 0.01625 | 109.4 | 137.3 |
| 0.676 | 0.02 | 0.01875 | 111.9 | 133.3 |
| 0.916 | 0.0225 | 0.021 | 113.8 | 134.4 |
| 1.116 | 0.024 | 0.0235 | 117.9 | 131.5 |
| 1.356 | 0.027 | 0.0265 | 116.7 | 128.8 |
| 1.556 | 0.0295 | 0.02925 | 115.9 | 125.9 |
| 1.796 | 0.032 | 0.0315 | 116.9 | 127.1 |
| 1.996 | 0.034 | 0.033 | 118.0 | 129.5 |
По данным таблицы 1 были построены графики полученных зависимостей жёсткостей EJ и EJ0 (рис. 2) и график зависимости отношения ((EJ)/(EJ)0)*100% (рис. 3) от величины приложенной сосредоточенной нагрузки P.
Рис. 3. График зависимости отношения ((EJ)/(EJ)0)*100% от величины приложенной сосредоточенной нагрузки P.
Выводы по результатам эксперимента
1) В результате исследований установлено, что жёсткость длинной полой балки малого поперечного сечения повышается при введении высокопористого наполнителя.
2) Установлено, что с увеличением приложенной сосредоточенной нагрузки P, жёсткость исходной балки EJ0 повышается, а жёсткость балки с высокопористым наполнителем EJ понижается. Это можно объяснить тем, что при достижении некоторого прогиба малопрочный наполнитель легко деформируется.
3) Численное значение отношения (EJ)/(EJ)0 стремится к 1,09 при увеличении сосредоточенной нагрузки Р, следовательно, жёсткость балки повышается не менее чем на 9% в результате введения высокопористого наполнителя.
4) Из п.2 следует, что схема закрепления требует приближения к реальным условиям закрепления балки винта мускулолёта.
5) В ходе эксперимента было отмечено, что технологический процесс заполнения балки пеной нуждается в дальнейшем совершенствовании.