Диссертация (Анализ прочности и оптимизация многостеночных композитных оболочек летательных аппаратов), страница 4

Если нагрузки заданы в нескольких расчетных случаях, в векторP   включаются все возможные критерии исчерпания несущей способности воiпредвсех расчетных случаях. Иногда при проектировании добавляются требования по19 жесткости, величинам собственных частот и т.п. Как правило, эти требованияформулируются в виде ограничений.Вопросам оптимального проектирования несущих оболочек, в том числекомпозитных оболочек, посвящена обширная литература, насчитывающая кнастоящему времени значительное число публикаций.

С обзорами основных результатов исследований можно ознакомиться в работах Баничука Н.В и др. [12],Лизина В.Т., Пяткина А.А. [40], Мормуля Н.Ф, Почмана Ю.М [44], НарусбергаВ.Л., Тетерса Г.А. [45], Немировского Ю.В., Янковского А.П. [46], НикифороваА.К.

[47], Томашевского В.Т. и др. [50], Почмана Ю.М [54], Раджасекарана С. идр. [55], Смердова А.А. [61, 69, 93], Тетерса Г.А. [75], Чедрика В.В. [81], BruyneelM.A. [85], Onoda Y. [89], Васильева В.В. [90, 95], Warker M., Smith R.A. [96],Weaver P.M. [98], Xie Y.J. и др. [99] и Yamada S. [100].Варьируемые параметры оболочек различны для различных конструктивных схем. У всех конструкций, имеющих многослойные обшивки, к числу варьируемых параметров могут относиться толщины и углы армирования слоев этихобшивок.

Для оболочек со спиральными ребрами варьируемыми параметрамитакже являются высота, ширина, угол наклона и число пар спиральных ребер, дляоболочек на основе интегральных стрингерных панелей - число ребер (или шаг ихрасположения) и параметры, определяющие размеры поперечного сечения иструктуру ребра. Наконец, для трехслойных оболочек важнейшим варьируемымпараметром является толщина заполнителя (в некоторых случаях могут также варьироваться параметры заполнителя). Следует отметить, что во многих случаяхчисло варьируемых параметров оказывается достаточно велико для того, чтобыпри оптимизации использовать простые методы глобального поиска типа глобального перебора.

В этих случаях рационально использованы алгоритмы оптимизации, основанные на модифицированном методе случайного поиска с непрерывным самообучением [57, 104].Задачи проектирования трехслойных панелей и оболочек из композитов исследованы в работах Алфутова Н.А. [5], Григолюка Э.И., Чулкова П.П. [26],Yamada S. [100] и многих других. Для поверочных расчетов могут быть использо-20 ваны различные уточненные модели трехслойных оболочек, изложенных в работах Алфутова H.A., и др. [5], Паймушина В.Н. [51], Попова Б.Г.

[53], ИвановаВ.А., и др. [60] и Сухинина С.Н., Тащиловой Г.Е. [71].В работах Бунакова В.А., Протасова В.Д. [19], Васильева В.В., БунаковаВ.А., и др. [22, 23, 34] и Разина А.Ф. [56] рассмотрены задачи оптимального проектирования сетчатых композитных конструкций. Статьи Барынина В.А., и др.[14], Бахвалова Ю.О., и др. [15] и Васильева В.В., и др.

[24] посвящены созданиюметодики оптимального проектирования углепластиковых сетчатых отсеков регулярной и нерегулярной структур.Сравнительно новый тип являют собой оболочки, выполненные из интегральных стрингерных (или стрингерно-шпангоутных) композитных панелей [48].Основным преимуществом данного типа конструкций являются высокие характеристики материала, реализуемые в конструкции, а также возможность достиженияразличных сочетаний свойств композитных структур в обшивке и ребрах.Многостеночные оболочки из углепластика сегодня исследованы слабо.Имеющиеся публикации в основном посвящены технологическим приемам изготовления таких конструкций или методике их испытаний [58], тогда как подробный анализ свойств и особенностей применения многостеночных оболочек отсутствует.В дальнейшем в работе будут подробно рассматриваться проблемы оптимального проектирования таких конструкций.

В том числе, разработаны методикипроектных расчетов и экспериментального исследования при воздействии термосиловых нагрузках.Кроме того, еще одно направление исследований связано с определениемобластей оптимального применения многостеночных оболочек в сравнении с известными конструктивными схемами, например, трехслойной.211 ГЛАВВА 2. МЕЕТОДИККА ОПТИМАЛЬЬНОГО ПРОЕКТПТИРОВАННИЯ НЕЕСУЩИХ МНОГООСТЕНООЧНЫХ ОБОЛОЧОЧЕКДДанная главагпоссвящена задачезопптимальнного проеектированния многоостеночныых несущиих оболоччек по криитериям минимизамации масссы констррукции и максимизаации несуущей споособностии при задданных деействующщих нагруузках. В главегосновнное вниммание удеелено опиисанию методикимпроектныых расчеттов многоостеночныых оболоччек с учеттом разлиичных мехханизмовв исчерпаания проччности и потепри общщей и месстной усттойчивостти.

Весьмма трудоеммкий этапп полученния оптиммальных решений предполагпгается выыполнять численныым методдом глобаального перепп сетке в соответсствии с таактикой гиибких прииоритетовв [62].бора поООсновныее результтаты исследованийй, приведеенных в данномдраазделе, пуубликованыы в работте автора [68].[2.1. Поостановкка задачии оптимиззацииООбъект проектиропования – цилинддрическаяя многосттеночная композиитнаяоболоччка, изобрражена нан Рис.

2.11. Оболоччка радиуусом R , длинойддинаL имеет одковые симметррично рассположеннные обшивки. Обболочка нагруженана осевой сжирающей) сиилой N , к которой может также быыть добаввленомающей (или растягиванее (или внутренневее) давленние p .внешна)б)вв)Рис.

22.1. Многоостеночнаая композзитная обболочка (аа), многосстеночнаяя панель (б)( ие основнееные элемеенты (в): 1 – обшиввка, 2 – сттенка (реббро), 3 – вставка.в222 а)б)в)г)Рис. 2.2. Некооторые эттапы техннологичесского проццесса изготовлениия сегменттовммногостенночных коонструкциий: (а) – формировфвание обоолочечнойй стенки,(б) – сборрка блокоов оправоок, (в) – осснастка в сборке передппроппиткой,(г) - отформованнный блок многостееночной панели.побшивкиООсновнымми элемеентами мнногостеноочной обболочки являютсяяи 1 истенкии 2, причеем каждыый из этихх элементтов можетт иметь многослоймйную струуктуру.

С ццелью повышенияя жесткостти и устоойчивостии в констррукцию могутмбытть добавленны угловыые вставкки 3, котоорые обыччно предсставляют собой одднонаправвленные сттержни, предваритптельно отфформованнные метоодом пулттрузии.ММногослоойный паакет обшиивок и стеенок, изображенныый на Рисс. 2.3,а, вклювчает в себя наабор n различныхх монослоев, кажддый из которыхкоотличаетсся отосталььных либоо свойстввами материала, лиибо напраавлением их ориенттации.ККаждый монослойй, показаннный на Рис. 2.3,,б, предсттавляет собойсодннонаправлеенный маатериал, свойствасккоторогосчитаютсся заданнными. В соответстввии сисполььзуемым структуррно-фенооменологиическим подходом [5] сччитается, чтосвойсттва моносслоя не изменяютсися при иззменениии структуррных парраметров многослоййного паккета.23 В данной работе приняты две основные системы координат [27] (Рис.

2.3,б):Глобальная система координат xy – ось x направлена по образующей цилиндра, а ось y – по касательной к окружности поперечного сечения. Начало отсчета координаты z от серединной поверхности оболочки (Рис. 2.1,в);Естественная система координат монослоя 1i 2i – ось 1i направлена понаправлению армирующих волокон, а ось 2i  по нормали к монослою в егоплоскости, где i  номер текущего монослоя.В многослойных композитных конструкциях обычно используют ортотроп-ные пакеты, в которых половина волокон в каждом слое уложена под углом i коси x конструкции, а другая половина – под углом i , как это показано на Рис.2.3,в. Такие конструкции изучаются и в данной работе.Жесткостные характеристики слоев определяются величинами четырех техи модулей упругостинических констант жесткости: коэффициента Пуассона v12i;в направление волокон E1  , в поперечном направлении E2  и при сдвиге G 12iiiпрочностные характеристики – пятью пределами прочности: при одноосном рас i тяжении F1и сжатии F1   в направлении армирования, при одноосном растяiжении F2   и сжатии F2   в поперечном направлении, а также при сдвиге в осяхiiестественной системы координат монослоя F12  .iВарьируемые параметры проектируемого объекта.

Многостеночные конструкции как объект проектирования обладают большими возможностями. К числу варьируемых параметров при их оптимизации могут относиться:размеры элементарной ячейки – высота стенки h и ширина клетки t ;структурные параметры обшивок и стенок – толщины отдельных монослоев i и углы их ориентации i ;Наличие/отсутствие вставок и радиус вставки rв .Кроме того, могут быть использованы различные сочетания жесткостных ипрочностных характеристик композиционных материалов обшивок, стенок ивставок. б)в)рованный слой (в)Рис.