Экспериментальное исследование повреждений конструкции из композитных материалов высокоскоростного летательного аппарата от дождевой каплеударной эрозии


DOI: 10.34759/trd-2022-126-10

Авторы

Ша М. 1*, Сунь И. 2**

1. Северо-Западный политехнический университет, Западная дорога дружбы, 127, Сиань, провинция Шэньси, 710072 Китайская Народная Республика
2. Ханчжоуский технический колледж Сяошань, Факультет машиностроения, г. Ханчжоу, провинция Чже Цзян, Китайская Народная Республика

*e-mail: shamg2020@nwpu.edu.cn
**e-mail: 544974488qq.com

Аннотация

Когда летательный аппарат (ЛА) проходит через зону дождя на большой скорости, при воздействии дождевой каплеударной эрозии поверхность ЛА повреждается или отслаивается [1,2]. Несмотря на то, что капли дождя малы по размеру и массе, их многократное попадание на поверхность ЛА приведет к снижению прочности материала, ухудшению физико-механических свойств и, таким образом, повлияет на функциональность конструкционных материалов, в результате приводит к повреждению обтекателя, элементов теплозащит, руля направления и поверхности покрытия конструкции, соответственно изменяется геометрия поверхности конструкции самолета, что серьезно снижает безопасность полета. На базе легко-газовой пушки первого уровня для испытания материала на дождевую эрозию была построена одноструйная ударная платформа. Одноструйно-ударного испытания с различными скоростями и диаметрами было проведено на композитном ламинате с матрицей из углеродного волокна и смолы. Результаты показывают, что типичная морфология повреждения композитного материала при действии одиноструйной воды выглядит следующим образом: поверхность удара вогнута, центр практически не поврежден, вокруг него формируется кольцеобразная зона повреждения, в основном состоит из ударения смолы, растрескивания матрицы и не большого разрыва волокна. Внутренние повреждения состоят из растрескивания матрицы и межслойного расслоения. Размер повреждения имеет типичную анизотропию, а продольный размер больше поперечного, с увеличением скорости и диаметра струи, размеры поверхностного кольцевого повреждения и внутреннего повреждения увеличиваются как наружу, так и площадь кольцевого повреждения и внутреннего расслоения также увеличивается. Взаимодействие сжатия и разгрузки давления гидравлического удара, сдвига боковой струи и волны напряжения является основным механизмом одноструйного ударного разрушения для композитов.

Ключевые слова:

жидкостно-твердое воздействие, водяная струя, композиционный материал, каплеударная эрозия

Библиографический список

  1. Юдин Д.А. Результаты численного моделирования конструкций изделий, при ударе о жидкую и твердую преграды // Труды МАИ. 2019. № 107. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=107913
  2. Вербицкий А.Б. Сидоренко А.С. Динамическое деформирование конструкции авиационного изделия при аварийном соударении с преградой // Труды МАИ. 2014. № 78. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=53502
  3. Engel O.G. Waterdrop collision with solid surface // Journal of Research of the National Bureau of Standards, 1955, vol. 54(5), pp. 281–298. DOI: 6028/jres.054.033
  4. Bowden F.P., Brunton J.H. The deformation of solids by liquid impact at supersonic speeds // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 1961, vol. 263(1315), pp. 433–450. DOI: 1098/rspa.1961. 0172
  5. Adler W.F. Rain impact retrospective and vision or the future // Wear, 1999, vol. 233–235, pp. 25–38. DOI: 1016/S0043- 1648(99)00191-X
  6. Field J.E. ELSI conference: invited lecture: liquid impact: theory, experiment, applications // Wear, 1999, vol. 233/234/235, pp. 1–12. DOI: 1016/S0043-1648(99)00189-1
  7. Shi H.H., FieldE. Stress wave propagation in solid material under high velocity liquid impingement // Scientic Sinica G: Physica Mechanica &Astronomica, 2004, vol. 34(5), pp. 577–590. DOI: 10.3969/j.issn.1674-7275.2004.05.010
  8. Mao J.R., Shi H.H., Yu M.Z. et al. Experimental study on hydrodynamic characteristics of droplets impinging on solid surfaces // Mechanics in Engineering, 1995, vol. 17(3), pp. 52–54. DOI: 6052/1000-0992-1995-071
  9. Sun B., Yan Y.P., Zhang D. et al. A two dimensional nonlinear shock model for the collision between a liquid drop and elastic plane // Chinese Journal of Applied Mechanics, 1996, vol. 13(3), pp. 33–38.
  10. Zhang D., Xie Y.H., Zhou Q.L. Study on the impact between liquid drop and elastic solid // Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2003, vol. 39(6), pp. 75–78, 85. DOI: 3321/j.issn:0577-6686.2003.06.017
  11. Zhang D., Xie Y.H. Numerical model for blade fatigue life of liquid corrosion in steam turbine // Proceedings of the CSEE, 2004, vol. 24(10), pp. 189–192. DOI: 3321/j.issn:0258-8013.2004.10.036
  12. Wang Z., Chen X.M., Huang Q. Raindrop Erosion Test of Aircraft Optical Window/Cover Materials [C] // Proceedings of the 6th National Conference on Experimental Fluid Mechanics. Taiyuan, Chinese Society of Mechanics, Chinese Society of Aerodynamics, 2004, pp. 190−194.
  13. Cook S.S. Erosion by water-hammer [J]. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical // Physical and Engineering Sciences, 1928, vol. 119(783), pp. 481–488. DOI: 1098/rspa.1928.0107
  14. Bowden F.P., Field J.E. The brittle fracture of solids by liquid impact, by solid impact, and by shock // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences, 1964, vol. 282(1390), pp. 331–352. DOI: 1098/rspa.1964. 0236
  15. Bourne N.K., Obara T., Field J.E. High-speed photography and stress gauge studies of jet impact upon surfaces // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences, 1997, vol. 355(1724), pp. 607–623. DOI: 1098/rsta.1997.0028
  16. Springer G.S., Yang C.I. Model for the rain erosion of fiber reinforced composites // AIAA Journal, 1975, vol. 13(7), pp. 877–883. DOI: 2514/3.60463
  17. Engel O.G. Damage produced by high-speed liquid-drop impacts // Journal of Applied Physics, 1973, vol. 44(2), pp. 692–704. DOI: 10.1063/1.1662246
  18. Heymann F.J. On the shock wave velocity and impact pressure in high-speed liquid-solid impact // Journal of Basic Engineering, 1968, vol. 90(3), pp. 400–402. DOI: 1115/1.3605114
  19. Seward C.R., Pickles C.S.J., Field J.E. Single- and multiple-impact jet apparatus and results [C] // Proceedings Volume 1326, Window and Dome Technologies and Materials II. San Diego: SPIE, 1990, pp. 280−290. DOI: 1117/12.22507
  20. Burson-Thomas C.B., Wellman N.R., Harvey T.J. et al. Water droplet erosion of aeroengine fan blades: the importance of form // Wear, 2019, vol. 426, pp. 507–517. DOI: 1016/j.wear.2018.12.030.

Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход