Целью исследований было определение характерных режимов нагружения, при которых появляются резонансные эффекты, и амплитуд поперечных колебаний композитных пластин при циклическом нагружении продольной силой.

Измерения амплитуд поперечных колебаний пластин проведены на установке PRODERA. Испытывались пластины из боропластика с толщиной волокон 90 мкм, имевших два варианта армирования и разное соотношение между продольной и изгибной жёсткостью. Образец 1 имел пять слоёв с ориентировкой <45>, <0>, <45> относительно продольной оси, образец 2 - пять слоёв с ориентировкой <0>, <90>, <0>, <90>, <0>. Пластины имели следующие номинальные размеры: образец 1 - 200202,2 мм, образец 2 - 245151,3 мм. Рабочие длины образцов, измеренные по расстоянию между захватами, были равны 128,5 и 160 мм соответственно.

Неподвижный захват имел массу 22 кг и подвешивался вертикально на резиновых амортизаторах. Пластины жёстко закреплялись в неподвижном захвате в вертикальной плоскости, а на противоположном их конце также жёстко закреплялся подвижный захват, имевший массу 173,6 г. Силовозбудитель устанавливался снизу на жёстком основании, воздействуя силой вдоль оси пластин. Катушка силовозбудителя по паспортным данным имела эквивалентную массу подвижных частей 95 г.

Методика проведения испытаний

нагружение резонансный колебание амплитуда

Использовались две схемы приложения нагрузки. По первой схеме подвижный захват жёстко соединялся с катушкой силовозбудителя. По второй - соединение между ними осуществлялось гибкой тягой из проволоки ОВС 1 мм и длиной 100 мм, что являлось по существу подвижным шарниром и не препятствовало поперечным колебаниям подвижного захвата. При каждой схеме нагружения осуществлялось два режима: симметричный цикл и цикл с постоянной составляющей сжатия 1 кгс, максимальная амплитуда силы составляла 0,25 кгс. Возбуждение колебаний осуществлялось в диапазоне частоты от 5 до 1000 Гц. Датчик ускорений D1 массой 10 г устанавливался посередине между подвижным и неподвижным захватами пластины, датчик D2 массой 17 г. - на подвижном захвате около защемлённого конца пластины.

Для оценки повторяемости результатов измерений на образце 1 проведены испытания с гибкой тягой длиной 50 мм. При обоих режимах нагружения проведены две независимых установки тяг с контролем соосности силовозбудителя и испытуемого образца. Результаты измерений при фазовом резонансе на трёх формах колебаний приведены в таблице 1, где A1 и A2 - амплитуды колебаний в месте установки датчиков D1 и D2 соответственно. За положительные значения амплитуд приняты амплитуды первого тона.

Сравнение данных повторных измерений показывает, что соотношения амплитуд колебаний имеют лучшую повторяемость, чем сами значения амплитуд. Частоты фазовых резонансов тоже не во всех случаях близки. Эти результаты свидетельствуют о погрешностях, связанных с конструкцией используемого испытательного стенда.

Таблица 1

Результаты испытаний

Был зарегистрирован ряд характерных режимов нагружения, дающих большой динамический отклик объекта испытаний на возмущающие воздействия от продольной силы. При жёстком соединении с катушкой силовозбудителя интерес представляют режимы с фазовым резонансом по обоим датчикам и с большим соотношением амплитуд колебаний в точках их установки. В таблице 2 показаны полученные результаты.

Таблица 2

Образец 2 обладал в 2,5 раза большей изгибной жёсткостью, что дало большее число резонансных режимов. Резонанс на частоте 164,34 Гц является наиболее приемлемым для аналитического анализа.

При «шарнирном» соединении с силовозбудителем длинной тягой, кроме того, были получены ещё и параметрические колебания на частотах, кратных частоте первого тона поперечных изгибных колебаний образца. Так на образце 1 со снятым датчиком D1 получены параметрические колебания первого тона (7,98 Гц) на удвоенной частоте возбуждения симметричным циклом (15,8 Гц). Уменьшение амплитуды силы до 0,1 кгс привело к увеличению частоты параметрического резонанса до 16,22 Гц при частоте первого тона 8,12 Гц, что может быть связано с амплитудной зависимостью неупругости. Аналогичный эффект наблюдался и у образца 2 при наличии сжимающей нагрузки: с уменьшением амплитуды силы до 0,15 кгс частота первого тона увеличилась с 11,5 Гц до 12,6 Гц.

Демпфирование всегда снижает частоту собственных колебаний системы [1, 2], особенно при появлении гистерезисного типа неупругости [3], что и должно сказываться при изгибных деформациях, когда более существенный вклад вносит связующее. Для аналитического анализа в этом случае требуются более сложные реологические модели материала [4, 5].

Постоянная составляющая сжатия при данной схеме нагружения несколько увеличивала частоту первого тона для пластин обоих типов. Наблюдались колебания по первому тону на частотах возбуждения больших в 6-8 раз. На пластине первого типа при частоте 105,5 Гц выявлен параметрический резонанс с частотой поперечных колебаний вдвое меньшей частоты возбуждающей силы, который был зарегистрирован по фигурам Лиссажу.

Фазовые резонансы, полученные в испытаниях по этой схеме нагружения, характеризовались меньшим отношением амплитуд A1/A2. В диапазоне частоты 192-483 Гц для образца 1 наблюдались колебания по первому тону с одновременным появлением динамической неустойчивости тяги. Для образца 2 в диапазоне от 202 до 260 Гц происходили колебания первого тона с большими амплитудами, не всегда устойчивые, но без резонансных поперечных колебаний тяги.

Заключение

Получены предварительные данные об амплитудах и частотах резонанса при поперечных колебаниях пластин из боропластика с разной схемой армирования, циклически нагружаемых продольной силой. Для некоторых режимов нагружения результаты измерений амплитуд колебаний могут быть сопоставлены с их расчётными оценками после исследования реологических свойств композитных пластин.

Список литературы

1. Петров М.Г. Демпфирование материала при колебаниях упругих систем и прогнозирование их долговечности / Доклады I Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений». Новосибирск: НГАСУ, 2008. С. 341-353.

2. Петров М.Г. Прогнозирование долговечности конструкций при случайных колебаниях с учётом демпфирования материала // Аэродинамика и прочность конструкций летательных аппаратов: Тр. Всеросс. науч.-техн. конф. по аэродин. летат. аппар. и прочн. авиац. констр.,17-19 июня 2008 г. г. Новосибирск: Изд-во СибНИА, 2009. С. 202-209.

3. Петров М.Г. Упругость, неупругость и разрушение композиционных материалов // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: докл. X Юбил. Всеросс. науч.-практ. конф., Бийск, 26-28 мая 2010 г. Бийск: БТИ АлтГТУ, 2010. С. 167-171.

4. Петров М.Г. Прогнозирование долговечности однонаправленного стеклопластика при продольном изгибе // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности: тр. XIX Всеросс. конф. - Новосибирск: Параллель, 2005. С. 212-217.

5. Петров М.Г. Некоторые структурные модели для описания реологических свойств материалов // Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. Т. 13, № 2. С. 191-208.

Размещено на Allbest.ru