Автореферат (Устойчивость равновесных состояний оболочечных элементов конструкций к силовым возмущениям)

На правах рукописиКОЛОСОВ Геннадий ИвановичУСТОЙЧИВОСТЬ РАВНОВЕСНЫХ СОСТОЯНИЙОБОЛОЧЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙК СИЛОВЫМ ВОЗМУЩЕНИЯМСпециальность 01.02.06 – Динамика, прочность машин,приборов и аппаратурыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степенидоктора технических наукМосква -2017РаботавыполненавФедеральномгосударственномпредприятии«Центральныйнаучно-исследовательскиймашиностроения (ФГУП ЦНИИмаш)»Официальные оппоненты:унитарноминститутВасильев Валерий Витальевич,профессор, академик РАН,заместительглавногоконструктораОАО«Центральный научно-исследовательский институтспециального машиностроения»Лопаницын Евгений Анатольевич,профессор, доктор физико-математических наук,ведущий конструктор АО НПЦ газотурбостроения«Салют» конструкторского бюро перспективныхразработокТуркин Игорь Константинович,профессор, доктор технических наук,заведующий кафедрой «Авиационно-ракетныесистемы» Московского авиационного института(технического университета)Ведущая организация:Федеральноегосударственноеунитарноепредприятие«Государственныйкосмическийнаучно-производственныйцентримениМ.В.

Хруничева» Конструкторское Бюро «Салют»Защита состоится «  01  »       ноября       2017 г. в «___» часов на заседаниидиссертационного совета Д212.141.03 при Московском государственномтехническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва,2-я Бауманская ул., д.5.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.bmstu.ruВаш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просьба направлятьпо указанному адресу в двух экземплярах.Автореферат разослан «___» __________2017 г.21.

Общая характеристика работыАктуальность темы. Нормы прочности конструкций основываются наиспользовании метода расчетных предельных состояний, согласно которомупотеря устойчивости рассматривается как исчерпание ими несущей способности ивходит в понятие прочности конструкции.

Вопросы устойчивости элементовконструкций имеют особую актуальность для изделий ракетно-космическойтехники (РКТ), для которых наука о прочности должна обеспечить практически100%-ную вероятность их целостности во всех штатных случаях эксплуатации.Расчет на устойчивость равновесных состояний оболочечных элементовконструкций РКТ является обязательной частью любого расчета на прочность.В основе теории устойчивости оболочек лежат такие фундаментальныезадачи, как устойчивость цилиндрических оболочек при осевом сжатии,цилиндрических и сферических оболочек при внешнем давлении, для которыхполученыаналитическиерешения.Междуэкспериментальнымиипрогнозируемыми по этим аналитическим решениям результатами существуютсущественные как количественные, так и качественные расхождения.

Несмотряна большой накопленный опыт создания сложных крупногабаритныхконструкций из тонкостенных оболочек, на практически необозримыемногочисленные теоретические и экспериментальные работы в областиисследований устойчивости оболочек, а также на созданные мощныепрограммные комплексы, проблема прогнозирования устойчивости равновесныхсостояний упругих оболочек не утратила своей актуальности. Признание того, чтоименно начальные прогибы являются главной причиной плохой корреляциимежду расчетными данными теории малых прогибов и экспериментальнымирезультатами, не сопровождалось широким внедрением теории начальныхпрогибов в инженерную практику.Большинство правил проектирования тонких упругих оболочек базируется нарезультатах статистической обработки экспериментальных данных и постулате осуществовании нижних пределов неразрушающих нагрузок, согласно которомумаксимально допустимое значение эксплуатационной нагрузки определяется сиспользованием коэффициента снижения классической величины критическойнагрузки для идеальной оболочки – коэффициента устойчивости.

Подборкоэффициента устойчивости для каждого расчетного случая проводится так, чтокогда на него умножается классическая верхняя критическая нагрузка, тополучается нижняя граница для всех экспериментальных данных,соответствующая рассматриваемому расчетному случаю.Наряду с экспериментально-статистическим подходом к выборукоэффициентов устойчивости существует экспериментально-расчетный подход ких назначению, в основе которого лежит использование статистическиобоснованных форм и амплитуд начальных прогибов, характерных дляконкретного технологического процесса изготовления оболочек.Как экспериментально-статистический, так и экспериментально-расчетныйподходы к определению коэффициентов устойчивости возможны, когда поустойчивости данного типа оболочек, изготовленных по определенной3технологии, существует необходимая экспериментальная база данных.

Созданиеподобных баз данных требует существенных материальных и временных затрат.Таким образом, проблема прогнозирования устойчивости равновесныхсостояний оболочек при отсутствии коэффициентов устойчивости, не получиларасчетно-теоретического решения, удовлетворяющего потребностям практики.Целью работы является разработка расчетно-теоретического подхода кпрогнозированию границ, гарантирующих устойчивость равновесных состоянийоболочечных элементов конструкций при осесимметричном деформировании.Достижение поставленной цели осуществляется путем:- постановки задачи устойчивости осесимметричных равновесных состоянийупругих оболочек вращения к малым силовым возмущениям, действующимна конечном промежутке времени;- исследования характера возмущенного движения поверхности оболочки вокрестности ее равновесного состояния;- обоснования существования нижнего предела критических нагрузокупругих оболочек к силовым возмущениям;- создания методического и программного обеспечения по прогнозированиюдопустимых значений эксплуатационных квазистатических нагрузокоболочечных элементов конструкций на основе математическогомоделирования по исходной конструкторской документации.Научная новизна работы состоит в следующем:впервые разработан подход к решению проблемы расчетногопрогнозированиякоэффициентовустойчивостидляизотропных,ортотропных, вафельных и композитных цилиндрических, сферических иконических оболочек при осесимметричном нагружении;впервые определены условия, необходимые для возникновенияколебательной неустойчивости осесимметрично деформированных упругихоболочек вращения, подверженных действию малых силовых возмущений,зависящих от времени;- впервые установлено существование области относительной устойчивостиосесимметрично нагруженных упругих оболочек вращения;- впервые разработан метод прогнозирования границ, гарантирующихустойчивость равновесных состояний упругих оболочек вращения,нагруженных осесимметричными силами;- разработан метод определения условий возникновения флаттера элементоввыходных блоков высотных ракетных двигателей (РД), изготовленных изкомпозитных материалов и усиленных бандажным подкреплением.Методы исследований:- применение динамического критерия устойчивости механических системдля анализа характера возмущенного движения поверхности упругихоболочек при наличии силовых возмущающих факторов, действующих наконечном промежутке времени;- применение линеаризованных уравнений при анализе характеравозмущенного движения поверхности упругих оболочек в окрестностиисследуемого равновесного состояния;4- применение хорошо апробированных и надежных методов численногоинтегрирования при определении динамических характеристик оболочеквращения, нагруженных осесимметричной системой консервативных сил;- применение метода Бубнова-Галеркина при сведении уравненийвозмущенного движения поверхности оболочек в перемещениях к системеобыкновенных дифференциальных уравнений.Достоверностьнаучныхположений,результатовивыводовосновывается на:использованииклассическихсоотношенийтеорииоболочекВ.В.

Новожилова и Л.А. Шаповалова;- строгой математической постановке задач устойчивости упругих оболочек кмалым силовым возмущениям, явно зависящим от времени;- применении для анализа условий неустойчивости оболочек наиболееобщего и строгого динамического критерия;- применении апробированных программных продуктов;- валидации результатов прогнозирования границ, гарантирующихустойчивость равновесных состояний оболочечных элементов конструкций,по экспериментальным значениям коэффициентов устойчивости.Практическая ценность работы. Разработано методическое и программноеобеспечение, готовое к практическому использованию для прогнозированиянесущей способности осесимметрично нагруженных оболочечных элементовконструкций на основе исходной конструкторской документации.Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на IXи X Всероссийских съездах по теоретической и прикладной механике (НижнийНовгород, 2006, 2011), на Международных симпозиумах «Динамические итехнологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова (Ярополец, 2008, 2010, 2011, 2012, 2015), на ХХХХI Всероссийскомсимпозиуме «Механика и процессы управления» (Миасс, 2011), на Всероссийскойнаучно-технической конференции «Аэрокосмические технологии-2010» (Реутов,2010), на семинарах в ИПМ механики РАН (Москва, 2001, 2006), на заседаниинаучного семинара им.