balabuh_l_i___alfutov_n_a___usyukin_v_i_ _stroitelnaja_mehani (Л.И. Балабух, Н.А. Алфутов, В.И.Усюкин - Строительная механика ракет)

Л.И. Балабух Н.Д. Длфутов В. и. Усюкин СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕЖ~НИКА РАКЕТ Допущено Министерством высгнего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов ма~ыиностроительных специальностей вузов з ь А~ОСКВА: ВЫСШАЯ ШКОЛА»!934 Рецензенты: кафедра «Строительная механика и прочность летательных аппаратов» Московского авиационного института (зав. кафедрой акад, И. Ф.

Образцов); д-р техн. наук, проф, В. В. Васильев (Московский авиационно-технологический институт). Балабух Л. И., Алфутов Н. А., Усюкии В. И. Б20 Строительная механика ракет: Учебник для машиностроительных спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1984.— . 391 с., ил. В пер.: 1р. 1Ок, В учебнике приведены сведения нз механики деформнруемых тел, основные разделы статики л устойчивости элементов тонкостенных конструкций, методы расчета на прочность различных отсеков ракет. Большое внимание уделено численным методам расчета с использованием ЭВМ. Кроме того, рассматриваются простые приближенные методы, позволяющие быстро выполнить проектировочные расчеты прн эскизном проектировании. 3606030000 — 383 001(01Д.— 84 ББК 22.25+39.62 Б20 УДК И4.04+629.76 ББК 22.23+30.62 6С1+6Т6 Д~ Издательство «Вьдсшая школа», 1984 от издатвпьствА Ракетостроение и космонавтика — одни из самых молодых отраслей науки и промышленности.

Их сравнительно малый возраст объяс- няется, прежде всего теми трудностями, с которыми столкнулся человек в борьбе с земным тяготением. Проблема соотношения веса конструкции ракеты и ее прочности, пример, наглядно иллюстрирующий диалектический закон единства и борьбы противоположностей, — нигде не стоит, пожалуй, так остро, как в ракетостроении. Чтобы создать современные средства космической техники, необходимо использовать все достижения научно-технической революции: и легкиевысокопрочные материалы,. и самую прогрессивную технологию, и но.вые методы расчета и проектирования. Успешное овладение этими методами, отличительные черты которых — самое широкое применение ЭВМ, должно стать главной целью для вас, будущих строителей ракет и космических аппаратов.

Все советские люди заслуженно гордятся выдающимися успехами нашей страны в овладении космическим пространством и его мирном использовании, Тем большая ответственность лежит на вас — не уступать передовых позиций, поддерживать приоритет советской науки, техники и технологии. Помочь вам в этом призвана, в частности, и настоящая книга. Будьте настойчивы и упорны в учебе, а в дальнейшем — и в труде на благо нашей Родины и советского народа, йидисповий Одной из особенностей создания новых конструкций современных ракет является неразрывная связь проектирования с аэродинамическими, температурными, динамическими и прочностными расчетами. Инженер, специализирующийся в области ракетостроения, должен уверенно ориентироваться в теоретических основах и практических методах всех этих расчетов.

В настоящее время имеются учебники, учебные пособия и монографии, в которых достаточно полно, строго и доступно изложены вопросы аэродинамики, теплопередачи, динамики применительно к ракетостроению*. Поэтому в настоящем учебнике было решено ограничиться только вопросами, непосредственно связанными с прочностными статическими расчетами конструкции ра'кет. Содержание учебника разделено на три части. В первых двух частях, кроме общетеоретических основ прочностного расчета, изложены современные численные методы, ориентированные на использовании ЭВМ. В третьей части особое внимание уделено простым аналитическим методам расчета типичных элементов конструкций ракет.

Приводимые здесь примеры не могут дать даже отдаленного представления о тех мощных комплексах программ, какими пользуются при уточненных современных прочностных расчетах. Но упрощенные методы расчета не потеряли и, видимо, еще очень долго не потеряют своего значения.

Во-первых, простые аналитические решения, наглядно отражающие влияние отдельных параметров конструкции, необходимы для правильного понимания особенностей силовой схемы конструкции ракеты. Во-вторых, умение пользоваться простыми методами расчета, не требующими сложных программ счета, с одной стороны, избавляет проектировщика от необходимости каждый раз прибегать к помощи мощных ЭВМ для получения оперативного результата на начальной стадии проектирования, с другой стороны, помогает ему контролировать н правильно истолковывать результаты уточненных поверочных расчетов. Наконец, упрощенные аналитические методы используются в системах автоматизированного проектирования на этапах оптимизации силовых конструкций, когда производится многократное повторение прочностного расчета с целью подбора оптимальных параметров отдельных элементов и всей конструкции.

* Зарубин В. С. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. М., 1978; Колесников К. С. Динамика ракет. М., 1980; Краснов Н, Ф. Аэродинамика. М., 1980; и др. Для понимания содержания книги необходимо знание обычных курсов теоретической механики и высшей математики (основные сведения из вариационного исчисления и матричной алгебры приведены в двух небольших приложениях) и знакомство с курсами аэродинамики, теплопередачи и динамики конструкций. И, конечно, изучению курса строительной механики ракет должно предшествовать детальное и тщательное изучение сопротивления материалов. Гл. 5 и ч 1.1 .. 1.4, 6.1 ...

6.4, 10.2, 12.2 принадлежат Л. И. Балабуху; гл. 2, 4, 7, 8, 14 и 5 1.6, 1.6, 6.6, 12.4, !3.1 — Н. А. Алфутову; гл. 3, 9, 11 и ф 6.5, 10.1, 10,3, 10.4, 12.1, 12.3, 13.2, 13.3 —.В. И. Усюкину. К глубокому прискорбию замечательному советскому ученому и педагогу Льву Ивановичу Балабуху, возглавлявшему авторский коллектив, не суждено было увидеть окончательный вариант рукописи этой книги. Авторы выражают свою искреннюю признательность официальным рецензентам, а также В.

Л. Бидерману и Л. А. Шаповалову за ряд замечений и советов и А. Н. Семененко, оказавшему неоценимую помощь при подготовке рукописи. Авторы заранее благодарны читателям, которые выскажут свои замечания и пожелания, и просят направлять их по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14. Часть ! ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ТВЕРДОГОДЕФОРМИРУЕМОГО ТЕЛд. ЭЛЕМЕНТЫ ПРИКЛАДНОЙ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ Глава 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРАВНЕНИЯ МЕХАНИКИ ТВЕРДОГО ДЕФОРМИРУЕМОГО ТЕЛА Практическая цель механики твердого деформируемого тела— описание поведения реальных тел при силовом и тепловом воздействиях. Используемый при этом математический аппарат базируется на общих законах механики и ряде упрощающих допущений. В первой главе используются два таких допущения: допущение о сплошности и допущение об идеальной упругости.

Д о п у щ е н и е о с п л о ш н о с т и, приписывающее твердому телу способность заполнять объем без всяких пустот, позволяет ввести понятие напряяенно-деформированного состояния в точке тела и записать условия равновесия элемента тела в виде дифференциальных уравнений. Кроме того, это допущениедает возможность считать перемещения точек тела при деформации непрерывными и диффренцируемыми функциями координат и выразить компоненты деформаций через производные этих функций. Полученное в результате допущения о сплошности абстрактное тело наделяют некоторыми механическими свойствами, аппроксимирующими способность реальных тел сопротивляться деформированию.

Одним из таких свойств, которым в той или иной степени обладают все конструкционные материалы, является свойство упругости, т. е. способность восстанавливать первоначальные размеры и форму после снятия нагрузок. Допущение об идеальной упругос т и позволяет для любого момента нагружения ввести взаимно однозначные зависимости между напряжениями и деформациями в каждой точке тела. Частный, но практически наиболее важный случай — это линейно-упругое тело Гука, достаточно полно отражающее свойства конструкционных материалов при малых деформациях. Из общих положений механики в первой главе привлечены два основных: начало возможных перемещений и принцип минимума полной потенциальной энергии.

9 1Л. Внешние силы и напряжения Напряжение о можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: вдоль нормали и к площадке и в плоскости этой площадки (рис. 1.1). Эти две составляющие соответствуют нормальному и и тангенциальному т„напряжениям. Модуль вектора напряжения и = )/о„'+,т„'. Чтобы полностью определить напряженное состояние в точке, достаточно рассмотреть проекции на координатные оси х, у, г составляющих вектора напряжения, действующих на площадках, параллельных коор- п б , и динатиым плоскостям. Обозначим через а„; т„у; т„, нормальный и тангенциаль- Ф" ные компоненты напряжения на площадке х = сопз1, параллельной координатной плоскости уг (рис. 1.2). Первый индекс в записи касательных напряжений характеризует положение площадРис.

! л ки, в которой лежит составляющая вектора напряжения, второй — направление этой составляющей. Для площадки у = — сопз1 компоненты напряжения будут а,, т„„, т, „для площадки г = сопэ1 — соответственно о„т,„; т,„. Введенные, таким образом, компоненты напряжения можно представить в форме матрицы пх "ху тки тпрр оп хит Юга тгу пл (1.1) Вследствие известного из курса сопротивления материалов свойства парности касательных напряжений (т „= тд„, т„, = т,„; т,„= = т,,) матрица (1.1) является симметричной.