Анализ результатов экспериментальных исследований механических характеристик сотовых заполнителей в зависимости от их высоты

Начиная с 1970-х гг. в РКК «Энергия» (ранее — НПО «Энергия») проводятся разработка и внедрение в изделия предприятия слоистых конструкций (СК) с несущими слоями (НС) из алюминиевых сплавов и полимерных композиционных материалов в сочетании с различными заполнителями. Были попытки применения в качестве заполнителей пенопластов с различной степенью пористости и ячеистых заполнителей из стеклонитей, формообразуемых методом мокрой намотки (нити при намотке пропитывались эпоксидным связующим). Наибольшее массовое совершенство имели слоистые сотовые конструкции (ССК) с сотовым заполнителем (СЗ), который изготавливали из различных материалов:

• •    алюминиевой нагартованной фольги;

• •    титановой фольги;

• •    стеклотканей;

• •    полимерной бумаги Nomex ;

• •    препрегов на основе углеродных наполнителей в виде лент или тканей.

В авиационной и космической отраслях наиболее широко используют СЗ из алюминиевой нагартованной фольги марки АМг-2Н толщиной 0,023…0,050 мм, стеклотканей различных марок и полимерной бумаги Nomex . Эпизодически используют СЗ из углеродных препрегов на основе углеродных лент тонких номиналов или тканей [1].

В многочисленных литературных источниках, посвящённых расчёту, разработке и технологии изготовления ССК, отмечено, что механические характеристики СЗ зависят от механических характеристик и толщины материалов, из которых они изготовлены, размера и формы их ячеек, а также направления приложения нагрузки по отношению к склеенным граням ячеек (параллельно или перпендикулярно). При расчёте ССК обычно используют приведённые характеристики сотовой структуры [2]. Снижение предела прочности при равномерном сдвиге СЗ с увеличением высоты СЗ, как правило, не учитывается, что приводит к значительным погрешностям при расчётах ССК, где определяющими параметрами, влияющими на несущую способность сотовых конструкций, являются механические характеристики СЗ. Поскольку сотовый заполнитель во многих ССК играет определяющую роль в несущей способности изделия, точность определения сдвиговых механических характеристик СЗ весьма значительно сказывается на конечных результатах расчётов [3], а следовательно, и на их массовом совершенстве. Только в некоторых литературных источниках (например, в работах [4–6]) отмечено, что механические характеристики зависят ещё и от высоты СЗ.

В НПО «Энергия» первые комплексные испытания СЗ из алюминиевой фольги АМг-2Н толщиной 0,03 мм с размером ячейки 2,5 мм, высотой 5; 15 и 25 мм (изготовленные согласно техническим условиям (ТУ) [7]), а также СЗ из полимерной бумаги с размерами ячеек 2,5; 3,5 и 4,2 мм и высотой 5; 15 и 25 мм (изготовленные в соответствии с ТУ [8]) проводили в 1977 г. В то время в отечественной промышленности единого подхода (ГОСТов) к проведению механических испытаний СЗ ещё не было, и испытания на поперечное сжатие, на растяжение и сдвиг СЗ проводили согласно ОСТ-1901-74 [9] или РМИ 776-64 [10].

Схемы испытаний на сдвиг СЗ согласно документам [9] и [10] приведены на рис. 1.

Рис. 1. Схема испытаний на сдвиг сотового заполнителя: а — согласно стандарту [9]; б — согласно материалам [10]; P — нагрузка (рисунок создан авторами)

При испытаниях на сдвиг в соответствии с ОСТ [9] предел прочности СЗ определяют по следующей формуле:

^Т СЗ = Р разр /2 F ,

где Р _разр — разрушающая нагрузка, кгс; F — площадь образца СЗ в плане, см².

При испытаниях на сдвиг согласно материалам [10] предел прочности при сдвиге СЗ определяют по следующей формуле:

^Т СЗ Р разр /4 F ^.

Испытания проводили с целью проработки возможности применения трёхслойных СК при разработке новых изделий в НПО «Энергия».

В результате проведённых механических испытаний СЗ в соответствии с материалами [10] были определены следующие механические характеристики:

• •    модуль упругости при сжатии перпендикулярно плоскости НС Е _{– в} ;

• •    предел прочности при сжатии перпендикулярно плоскости НС с _{- в} ;

• •    предел прочности при растяжении перпендикулярно плоскости НС (или предел прочности при равномерном отрыве НС от СЗ) с _отр ;

• •    предел прочности при сдвиге СЗ параллельно склеенным граням ячеек СЗ т сз _xz ;

• •    предел прочности при сдвиге СЗ перпендикулярно склеенным граням ячеек СЗ т сз _yz ;

• •    модуль сдвига СЗ параллельно склеенным граням ячеек СЗ Ԍ _{СЗ хz} ;

• •    модуль сдвига СЗ перпендикулярно склеенным граням ячеек СЗ Ԍ _{СЗ yz} .

При анализе результатов проведённых исследований также было установлено, что упругие и прочностные характеристики сотовых заполнителей при сжатии и сдвиге существенно зависят от высоты СЗ.

На основании полученных результатов экспериментальных исследований в 1978 г. был выпущен технический отчёт «Исследование механических свойств сотовых заполнителей на основе алюминиевой фольги и полимерной бумаги». В это же время проводили испытания трёхслойных сотовых балок с СЗ (размер грани ячейки 2,5 мм) из полимерной бумаги Nomex , НС из алюминиевого сплава Д-16АТ и углепластика КМУ-3Л с различными схемами армирования. Механические испытания сотовых балок на изгиб проводили в соответствии с техническими требованиями предприятия с целью определения предела прочности и модуля упругости СЗ при сдвиге, для сравнения с ранее полученными значениями при испытаниях СЗ на сдвиг в соответствии с материалами [10]. При изготовлении трёхслойных сотовых балок использовали СЗ высотой 5; 25 и 30 мм. Схема испытаний трёхслойных сотовых балок на изгиб показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема испытаний трёхслойной сотовой балки на изгиб: P — нагрузка; S — расстояние между опорами (рисунок создан авторами)

При испытаниях трёхслойной сотовой балки на изгиб предельное напряжение при сдвиге СЗ определяли по следующей формуле:

Т сз = Р разр /( d + h ) B ,

где d — толщина трёхслойной балки, см; h — высота СЗ, см; В — ширина трёхслойной панели, см.

В результате проведённых исследований установлено следующее:

• •    зависимость нагрузка – прогиб имеет линейный характер до значения Р = 0,7 Р _разр ;

• •    механические характеристики СЗ при сдвиге существенно зависят от его высоты. С увеличением высоты характеристики прочности и модуля упругости при сдвиге СЗ снижаются. При высоте 5 мм Т сз xz = 19,4 кгс/см²; G сз xz = 750 кгс/см², а при высоте 25 мм — ^Т СЗ xz = 3,4 кгс/см²; G сз xz = 306 кгс/см²;

• •    СЗ из полимерной бумаги почти не имеет визуально наблюдаемых остаточных деформаций после снятия нагрузки;

• •    характеристики предела прочности при сдвиге СЗ, полученные методом испытаний на изгиб короткой трёхслойной сотовой балки, на 5–10% меньше аналогичных значений, получаемых при испытаниях на сдвиг СЗ согласно материалам [10];

• •    упругие характеристики СЗ, полученные методом испытаний на изгиб короткой трёхслойной сотовой балки, практически равнозначны характеристикам, полученным при испытаниях в соответствии с материалами [10];

• •    вид материала, из которого изготовлены НС, и его модуль упругости практически не влияют на механические характеристики СЗ при сдвиге.

В 2017 г. был введён в действие ГОСТ [11], в п. 5.1.2 которого сказано, что при определении механических характеристик СЗ для проведения расчётов и научных исследований толщина трёхслойной сотовой балки должна быть равна толщине изделия.

В начале 1980-х гг. в НПО «Энергия» проводилась экспериментальная отработка трёхслойных сотовых створок обтекателей посадочных устройств и двигателей управления мягкой посадкой разгонных блоков ракеты-носителя «Энергия», а также корпуса блока двигателей управления многоразового космического корабля «Буран». НС створок при экспериментальной отработке изготавливали из листового углепластика «Слокарбон-10КП», армированного по схеме С/+90°/+30°/-30°/0°/0°/-30°/+30°/+90°/С (где С — стеклоткань), а в качестве СЗ был использован заполнитель, изготовленный по ОСТ [12] из алюминиевой фольги АМг-2Н толщиной 0,03 мм с размером ячейки 2,5 мм. НС с СЗ были склеены плёночным клеем ВК-36, а сотопанели между собой и с элементами окантовывающего каркаса — вспенивающимся плёночным клеем ВКВ-2 [13]. Исходя из условия обеспечения необходимой изгибной жёсткости трёхслойных сотовых створок посадочных устройств и двигателей управления мягкой посадкой, толщина створок была 47 мм при высоте СЗ 44,6 мм. Для оценки реальной характеристики прочности и модуля упругости СЗ при сдвиге были проведены испытания на сдвиг СЗ высотой 20; 25; 30 и 40 мм. Механические испытания проводили в соответствии с материалами [10]. Полученные результаты механических характеристик СЗ при сдвиге существенно отличались от требуемых. Так, с увеличением высоты с 20 до 40 мм характеристика прочности СЗ при сдвиге уменьшалась в 2,2 раза, а модуль упругости — в 1,4 раза. Первоначально планировалось использовать СЗ из алюминиевой фольги АМг-2Н толщиной 0,05 мм, но это приводило к существенному увеличению массы створок обтекателей. Потом было принято решение в зонах концентрации напряжений, а это участок радиусом R = 200 мм, проходящий по всей длине (4,5 м) створки, и в зоне передачи сосредоточенных нагрузок (фитинги узлов раскрытия и зачековки створок), уменьшить высоту СЗ со сторон НС путём его частичного запенива-ния плёночным вспенивающимся клеем ВКВ-2 в процессе склеивания створки. Это решение дало положительный результат — при незначительном увеличении массы конструкции (0,25%) была обеспечена требуемая несущая способность конструкции (0,6 кгс/см2) при действии равномерно распределённого расчётного внешнего давления — 0,35 кгс/см2.

При разработке в 2016 г. силового трёхслойного сотового каркаса (СТСК) лобового теплозащитного экрана (ЛТЭ) пилотируемого транспортного корабля нового поколения не учли влияние высоты СЗ марки ССП-1-3,5 на его механические характеристики при сдвиге, и при проведении прочностного расчёта использовали механические характеристики, определённые на высоте сотового заполнителя 20 мм (ТСЗ xz = 2,65 МПа; Тсзyz = 1,54 МПа). Реальная высота СЗ в СТСК была 46 мм, и механические характеристики при сдвиге СЗ марки ССП-1-3,5 такой высоты, как определили позднее, были тсз xz = 2,03 МПа и Тсзyz = 1,06 МПа, что на 24 и на 32% меньше указанных выше. При нагружении равномерно распределённым внешним давлением СТСК разрушился при давлении 1,3 кгс/см2, что на 0,5 кгс/см2 меньше эксплуатационного (1,8 кгс/см2) и на 0,9 кгс/см2 меньше расчётного (2,2 кгс/см2) давлений. Для выявления причин возникновения этого несоответствия была создана комиссия, в рамках работы которой был выполнен большой объём экспериментальных работ, направленных на увеличение сдвиговых механических характеристик СЗ. На основании полученных результатов проведённых экспериментальных исследований было принято решение: СТСК конструктивно выполнить в виде пятислойной сотовой конструкции, в которой сплошной СЗ высотой 46 мм был разделён промежуточным тонким НС на две равные части высотой 23 мм. При этом удалось повысить прочность при сдвиге сотового пакета вдоль линии склейки ячеек сот τСЗ xz на 26%, а перпендикулярно линии склейки ячеек сот τСЗ yz — на 33%. При этом масса ССК увеличилась примерно на 10,5 кг. Пятислойная сотовая конструкция была нагружена внешним равномерно распределённым давлением и выдержала нагрузку 1,8 кгс/см2, что соответствует эксплуатационной нагрузке.

В табл. 1–3 приведены результаты испытаний на сдвиг СЗ из алюминиевой фольги АМг-2Н толщиной 0,03 мм с размером грани ячейки 2,5 мм высотой 5;15; 20; 25; 30 и 40 мм (табл. 1); из полимерной бумаги Nomex с размером грани ячейки 2,5 мм высотой 5; 15 и 25 мм (табл. 2), а также СЗ марки ССП-1-3,5 из стеклянной ткани с размером грани ячейки 3,5 мм высотой 20; 46 и 23 + 23 мм, склеенный через промежуточный НС из углепластика УПСБ250А толщиной 0,2 мм (табл. 3).

Таблица 1 Результаты испытаний на сдвиг сотового заполнителя (СЗ) из алюминиевой фольги АМг-2Н толщиной δ = 0,03 мм с размером грани ячейки a = 2,5 мм в соответствии с материалами [10]

H , мм	τ СЗ xz , МПа	τ СЗ yz , МПа	G СЗ xz , МПа	G СЗ yz , МПа
5	1,770	1,245	272,4	131,5
15	1,280	0,689	260,0	108,9
20	1,210	—	223,0	—
25	1,000	0,630	200,0	105,4
30	0,835	–	192,0	–
40	0,550	–	186,0	–

Примечание. H — высота сотового заполнителя; τ _{СЗ xz} и τ _{СЗ yz} — предел прочности при сдвиге СЗ параллельно и перпендикулярно склеенным граням ячеек СЗ соответственно; G _{СЗ xz} и G _{СЗ yz} — модуль сдвига СЗ параллельно и перпендикулярно склеенным граням ячеек СЗ соответственно.

Таблица 2 Результаты испытаний на сдвиг сотового заполнителя (СЗ) из полимерной бумаги Nomex с размером грани ячейки a = 2,5 мм в соответствии с материалами [10]

H , мм	τ СЗ xz , МПа	τ СЗ yz , МПа	G СЗ xz , МПа	G СЗ yz , МПа
5	2,130	1,170	783	432
15	0,836	0,490	368	282
25	0,522	0,377	269	186

Примечание. Расшифровки обозначений см. в примечании к табл.1.

Таблица 3

Результаты испытаний на сдвиг сотового заполнителя (СЗ) марки ССП-1-3,5 из стеклянной ткани с размером грани 3,5 мм в соответствии с ГОСТ [11]

H , мм	τ СЗ xz , МПа	τ СЗ yz , МПа
20	2,53	1,48
46	2,03	1,06
23+23*	2,05	1,32

Примечание. *СЗ высотой 23 мм склеен через углепластик УПСБ250А толщиной 0,2 мм. Расшифровки обозначений см. в примечании к табл. 1.

На основании данных табл. 1–3 построены графические зависимости механических характеристик при сдвиге СЗ от его высоты, представленные на рис. 3–7.

Рис. 3. Зависимость характеристики прочности при сдвиге τ _СЗ сотового заполнителя (СЗ) из алюминиевой фольги АМг2-Н (толщиной δ = 0,03 мм с размером ячейки a = 2,5 мм) от его высоты Н: ♦ и ■ — характеристики предела прочности СЗ при сдвиге параллельно τ _{СЗ xz} и перпендикулярно τ _{СЗ yz} склеенным граням ячеек соответственно; — — аппроксимация τ _{СЗ xz} ; — — аппроксимация τ _{СЗ yz} (рисунок создан авторами)

Рис. 4. Зависимость модуля упругости G _СЗ при сдвиге сотового заполнителя (СЗ) из алюминиевой фольги АМг2-Н (толщиной δ = 0,03 мм с размером ячейки a = 2,5 мм) от его высоты Н: ♦ и ■ — модуль упругости СЗ при сдвиге параллельно G _{СЗ xz} и перпендикулярно G _{СЗ yz} склеенным граням ячеек соответственно; — — аппроксимация G _{СЗ xz} ; — — аппроксисмация G _{СЗ yz} (рисунок создан авторами)

Рис. 5. Зависимость характеристики прочности при сдвиге τ _СЗ сотового заполнителя (СЗ) из полимерной бумаги Nomex с размером ячейки a = 2,5 мм от его высоты Н : ♦ и ■ — характеристики предела прочности СЗ при сдвиге параллельно τ _{СЗ xz} и перпендикулярно τ _{СЗ yz} склеенным граням ячеек соответственно; — — аппроксимация τ _{СЗ xz} ; — — аппроксисмация τ _{СЗ yz} (рисунок создан авторами)

Рис. 6. Зависимость модуля упругости G _СЗ при сдвиге сотового заполнителя (СЗ) из полимерной бумаги Nomex с размером ячейки a = 2,5 мм от его высоты Н : ♦ и ■ — модуль упругости СЗ при сдвиге параллельно G _{СЗ xz} и перпендикулярно G _{СЗ yz} склеенным граням ячеек соответственно; — — аппроксимация G _{СЗ xz} ; — — аппроксисмация G _{СЗ yz} (рисунок создан авторами)

Рис. 7. Зависимость характеристики прочности при сдвиге τ _СЗ сотового заполнителя (СЗ) марки ССП-1-3,5 от его высоты Н : ♦ и ■ — характеристики предела прочности СЗ при сдвиге параллельно τ _{СЗ xz} и перпендикулярно τ _{СЗ yz} склеенным граням ячеек соответственно; — — аппроксимация Т сз xz ;-- аппроксисмация Т сз yz ; ▲ и X — прочность СЗ толщиной 23 + 23 мм при сдвиге параллельно τ _{СЗ xz} и перпендикулярно τ _{СЗ yz} склеенным граням ячеек соответственно (рисунок создан авторами)

У всех приведённых зависимостей с увеличением высоты СЗ наблюдается монотонное уменьшение механических характеристик СЗ из разных материалов: алюминиевой фольги, полимерной бумаги и стеклянной ткани. Такой же характер изменения характеристики прочности при сдвиге был отмечен и при использовании СЗ из углеродного препрега на основе углеродной ленты ЭлурП-0,08 [14] при разработке и изготовлении некоторых конструктивных элементов автоматического космического аппарата дистанционного зондирования Земли. В публикации [15] отмечено снижение модуля упругости при сдвиге СЗ из углепластика.

В нормативной технической документации [11, 16–23] указано, что при разработке и расчёте ССК, а также при других научных исследованиях, нужно использовать механические характеристики СЗ, определённые на образцах СЗ с реальной высотой.

Только некоторые специальные характеристики СЗ определяют на образцах с высотой, указанной в стандартах на испытания [24–27].

Заключение

С увеличением строительной высоты СЗ, независимо от того, из какого материала он изготовлен, его механические характеристики при сдвиге существенно снижаются, поэтому при проведении проектных расчётов ССК механические характеристики надо определять на образцах СЗ с реальной высотой.

При проведении входного контроля механические испытания СЗ необходимо проводить по методикам (стандартам), указанным в ТУ, на образцах, высота которых также должна быть указана в ТУ.

Учитывая то, что приведённые в статье зависимости механических характеристик при сдвиге СЗ от его высоты построены на основании данных, экспериментально определённых по разным методикам и эпизодически, целесообразно провести повторные испытания по одной методике на образцах с СЗ высотой 10; 20; 30; 40; 50 и 60 мм.