Диссертация (Анализ прочности и оптимизация многостеночных композитных оболочек летательных аппаратов)

МОССКОВСКИИЙ ГОСУУДАРСТТВЕННЫЫЙ ТЕХННИЧЕСККИЙ УНИИВЕРСИТТЕТимени Н.Э. БАУМАНБНАНа праавах рукоописиФФАНТХЕ ШОНАНАЛЛИЗ ПРОЧЧНОСТИИ И ОПТТИМИЗААЦИЯМННОГОСТЕЕНОЧНЫЫХ КОММПОЗИТТНЫХ ОББОЛОЧЕЕКЛЕТАТЕЕЛЬНЫХХ АППАРРАТОВ05.07.003 – Проччность и тепловыетрежимы летательнлных аппарратовДиссертация на соисккание ученной степеениидата техннических науккандиННаучныйрруководиттель:докктор техннических наук,нССмердовА А.А.Москва - 2017 2 ОГЛАВЛЕНИЕ......................................................................................................................................

Стр.ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ .................................................... 4 ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 6 ГЛАВА 1. ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙТЕХНИКИ (ОБЗОР) ...................................................................................................... 12 1.1. Задачи и подходы оптимального проектирования ..........................................

12 1.2. Оптимальное проектирование композитных несущих оболочечных конструкций отсеков ракетно-космической технике ................................................... 17 ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕСУЩИХМНОГОСТЕНОЧНЫХ ОБОЛОЧЕК ............................................................................ 21 2.1. Постановка задачи оптимизации ....................................................................... 21 2.2. Критерии оценки несущей способности многостеночных оболочек ............

26 2.2.1. Прочностные характеристики ..................................................................... 27 2.2.2. Общая устойчивость ..................................................................................... 31 2.2.3 Местная устойчивость ................................................................................... 35 ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ МНОГОСТЕНОЧНЫХ ОБОЛОЧЕК ................................

36 ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ МНОГОСТЕНОЧНЫХ ИТРЕХСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧЕК С СОТОВЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ ......................... 43 4.1. Оптимизация несущей оболочки среднего переходника разгонногоблока «ДМ-SL» ........................................................................................................... 43 4.2. Сравнительный анализ предельных возможностей несущих углепластиковых оболочек при минимизации массы и максимизации несущей способности..... 49 3 ......................................................................................................................................

Стр.ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСЛЕДОВАНИЯ ........................................ 58 5.1. Условия и порядок проведения испытаний...................................................... 60 5.2. Технические особенности проведения испытаний.......................................... 65 5.3. Основные результаты испытаний .....................................................................

70 5.3.1. Результаты испытаний образцов при нормальных условиях ................... 70 5.3.2. Результаты испытаний образцов при повышенной температуре ............ 79 ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................... 89 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................................. 91 ПРИЛОЖЕНИЕ ...........................................................................................................

101 4 ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯОбозначения: Oxy  глобальная система координат многослойного пакета; O12  естественная (локальная) система координат монослоя; R, L линейные размеры оболочки: радиус и длина оболочки;N  осевая сжимающая (или растягивающая) сила;p  давление внутреннее (или внешнее); h, t линейные размеры элементарной ячейки: высота стенки и ширина клетки;  о , с  толщины многослойного пакета обшивки и стенки; ,  углы армирования перекрестно армированных монослоев обшивки истенки;  x ,  y ,  xy  деформации удлинения вдоль осей x, y и деформация сдвига вплоскости Oxy ; 1,  2 ,  12  деформации удлинения вдоль осей 1, 2 и деформация сдвига вплоскости Oxy ;  x , y , xy  нормальные напряжения в направлении осей x, y и касательноенапряжение в плоскости Oxy ; 1 , 2 ,12  нормальные напряжения в направлении осей 1,2 и касательноенапряжение в плоскости O12 ; Ex , E y , Gxy , vxy  технические константы жесткости многослойного пакета: модули упругости Ex , Ey в направлениях x, y ; модуль сдвига Gxy в плоскостиxy и коэффициент Пуассона v xy ; E1 , E2 , G12 , v12  технические константы жесткости однонаправленного монослоя: модули упругости E1, E2 в направлениях 1,2 ; модуль сдвига G12 вплоскости O12 и коэффициент Пуассона v12 ;5  EF  жесткость конструкции при растяжении-сжатии; F1 , F1  пределы прочности однонаправленного материала при растяжении исжатии в направлении армирования; F2 , F2  пределы прочности однонаправленного материала при растяжении исжатии в поперечном направлении; F12  предел прочности при чистом сдвиге в плоскости O12 ; k  коэффициент понижения прочности или устойчивости, учитывающийнесовершенства изготовления конструкции. g11 , g12 , g22 , g66  коэффициенты матрицы жесткости монослоя в естественнойсистеме координат g xx , g xy , g yy , g ss  коэффициенты матрицы жесткости многослойного ортотропного пакета; Bxx , Bxy , Byy , Bss  компоненты матрицы мембранных жесткостей оболочки; Dxx , Dxy , Dyy , Dss  компоненты матрицы изгибных жесткостей оболочки; Pпред  запас несущей способности оболочки; Pпр , Pм.

уст , Pо. уст  запасы прочности, местной и общей устойчивости;Сокращения: РКТ – ракетно-космическая техника; РН – ракета-носитель; РБ – разгонный блок; ОПК – оптимальное проектирование конструкций; ОПКК – оптимальное проектирование композитных конструкций; ЛКЭ – локальный критерий эффективности; ЭВМ – электронно-вычислительная машина, компьютерИндекс: (о), (с) и (в) – соответственно для обшивок, стенок и вставок;6 ВВЕДЕНИЕАктуальность темы. Высокопрочные и высокомодульные углепластики впоследние годы становятся основным материалом для изготовления несущихоболочек ракетно-космической техники [29, 35, 36]. Современные композиты, и,прежде всего, углепластики, обладают рядом очевидных преимуществ по сравнению с традиционными материалами, такими как, высокая жесткость, прочность,малая плотность, уникальные сочетания термоупругих и диссипативных характеристик и многое другое.

Следует отметить еще одну, возможно, самую главнуюособенность композитов – возможность управления свойствами композиционногоматериала путем варьирования его внутренней структуры в соответствии с назначением разрабатываемой конструкции и характером ее нагружения [27, 62].В ракетно-космической технике большой практический интерес представляет проектирование элементов цилиндрических оболочечных конструкций.

К таким элементам относятся отсеки и обтекатели ракет-носителей (РН) и разгонныхблоков (РБ), корпуса космических аппаратов, тубусы космических телескопов идр. Как правило, основной целью оптимального проектирования композитныхконструкций является обеспечение сочетания минимальной массы и способностисопротивляться действующим нагрузкам в необходимых направлениях. Достижение этой цели осуществляется выбором оптимальных параметров, определяющихразмеры элементов конструкции и структуру материала этих элементов (количество слоев композита, углы армирования и толщины этих слоев).

Следует отметить, что для проектирования композитных конструкций характерно значительноерасширение числа варьируемых параметров, в связи с чем усложняются как формулировки, так и пути решения задач оптимального проектирования. Свойствакомпозитных конструкций всегда должны рассматриваться в комплексе: необходимо следить, чтобы улучшение одних свойств не проводило бы к недопустимомуухудшению других. Перечисленные особенности определяют важность полноты и7 корректности формулировки задачи оптимального проектирования композитныхконструкций [69].На сегодняшний день в зависимости от требований к проектируемым композитным оболочечным конструкциям могут быть использованы различные конструктивные схемы: сетчатые, трехслойные с легким (сотовым) заполнителем,стрингерно-шпангоутные и другие [14, 15, 18, 19, 23, 24, 26, 30, 32, 34, 50, 56].Для этих конструктивных схем хорошо отработаны методы проектирования, технологические приемы и испытательные методики.