Диссертация (Анализ прочности и оптимизация многостеночных композитных оболочек летательных аппаратов), страница 7

Это можно объяснить тем, что при больших значениях высоты стенки сдвиговые деформации в плоскости стенки оказывают значительное влияние.Еще один вывод из проведенного исследования заключается в том, что увеличение высоты стенки приводит к повышению общей устойчивости лишь до известного предела, после которого устойчивость практически остается неизменной.Этот максимальный уровень запаса устойчивости сильно зависит от модуля упругости используемого материала, причем высокомодульные материалы способныобеспечить примерно в 2,5 раза большую устойчивость, чем низкомодульные.На Рис. 3.2 приводятся результаты исследования зависимости несущей способности от характеристик армирования обшивок и стенок.

Расчеты приводилисьпри  o   c  0,75 мм, t  h  25 мм. По оси абсцисс отложены значения угла армирования  при одинаковой структуре обшивок и стенок [±φo/0o/±φo]. Областьнесущей способности выделена затенением. Видно, что при изменении структурыармирования несущая способность может лимитироваться любым из рассмотренных механизмов. При этом оптимальные углы армирования перекрестно армированных слоев также могут изменяться в широких пределах.Следует отметить, что использование угловых вставок способно повыситьжесткость и устойчивость конструкции, однако может привести к снижению еепрочности. Так, при добавлении в базовую конструкцию из углепластикаЛУ-П/ЭНФБ вставок диаметром 0,75 мм из высокомодульного материалаM60J/Epoxy общая устойчивость повышается на 14%, местная устойчивость – на48%, однако прочность уменьшается на 18%.

Это связано с тем, что жесткиевставки берут на себя нагрузку и разрушаются первыми.Во всех до сих пор проведенных расчетах полагалось, что элементарнаяячейка квадратная, а обшивка и стенка одинаковы. Рис. 3.3 показывает результатыанализа несущей способности многостеночных оболочек с различными обшивками и стенками. 399 Рис. 3.1. Результааты расчетта устойччивости многостенмночной обболочкиофа-Лява (1, 3) и ломаной линиил(2, 4)4по гипотезаам Кирхго1, 2 – углеплластик ЛУ-П/ЭНФБ; 3, 4 – углепластик M60J/Epoxyа)б)Рис. 3.2. ЗависимоРЗость несущщей спосообности многостенмночной обболочкииз высокомоодульного (а) и ниизкомодулльного (б)) углеплаастика от структурыыармироввания обшшивок и стенок:с1 – заапас прочнности всттавки, 2 – запас проочности стенки,с3 – запас прочностипи обшиввок, 4 и 5 – запас местноймусстойчивоссти обшиивки и стеенки, 6 – запасзобщщейустойчиивости40 По оси абсцисс графиков отложены значения отношения высоты стенки кширине клетки h t .При этом для сохранения неизменной массы конструкции полагалось, что толщина стенки изменяется совместно с величиной t так, что отношение c h t  const .Расчеты проводились при постоянном значении h  25 мм.

На этом рисункеструктура обшивок и стенок из углепластиков одинакова, различаются только ихтолщины. Кривые показывают различные механизмы исчерпания несущей способности многостеночной оболочки. Как и ранее, область несущей способностивыделена затенением.Кривые, показанные на Рис. 3.4, построены при различных структурах армирования стенки, а структура обшивки во всех случаях оставалась [±60o/0o/±60o].Здесь каждая линия показывает несущую способность текущего варианта конструкции. Все графики несущей способности представляют собой ломаные линии,составленные из отрезков, каждый из которых соответствует какому-либо механизму разрушения.

Так несущая способность многостеночной оболочки при малых значениях h/t определяется местной потерей устойчивости обшивки, а призначительных – местной потерей устойчивости стенки.Следует обратить внимание на то, что использование в стенках структуры[±45o], обычно рекомендуемой в авиационных конструкциях для восприятиясдвигов, во всех случаях приводит к понижению несущей способности.Это связано с тем, что для устойчивости данных конструкций прежде всеговажно сопротивление сдвигу не в плоскости xz , а в плоскости yz , а, следовательно, в соответствии с (2.22) необходимо разворачивать материал в поперечномнаправлении.

Действительно, для оболочки из низкомодульного материаланаилучшей оказывается структура [±80o]. Этот эффект проявляется и для высокомодульного материала, но в данном случае лимитирующим оказывается снижениепрочности (горизонтальные полки на кривых). Наибольшую несущую способность оболочки из высокомодульного материала при осевом сжатии обеспечиваетструктура [±30o], но и она уступает структуре [±39o/0о/±39o], а при совместномнагружении осевой силы и внешнего давления – [±80o/0о/±80o].41 а)б)Рис.

3.3. Несущая способность многостеночной оболочки при различных параметрах обшивок и стенок: а) – из углепластика ЛУ-П/ЭНФБ, б) – из углепластикаM60J/Epoxy1 – запас прочности обшивки, 2 – запас прочности стенки, 3 – запас прочностивставки, 4 – запас местной устойчивости обшивки, 5 – запас местной устойчивости стенки, 6 – запас общей устойчивостиа)1÷3 – из углепластика ЛУ-П/ЭНФБ4÷7 – из углепластика M60J/Epoxy1 и 4 – [±45o], 2 и 5 – [±80o],3 и 6 – [90o/±45o/90o], 7 – [±30o] б)1÷6 – из углепластика M60J/Epoxy1 – [±45o], 2 – [±80o], 3 – [±45o /0o/±45o],4 – [±80o /0o /±80o], 5 – [90o /0o/±45o],6 – [90o /±80o/90o] Рис. 3.4.

Запас несущей способности при различных структурах армированиястенки при осевом сжатии (а) и при совместном нагружении осевой силой ивнешним давлением (б)42 Интересно также отметить, что для всех рассмотренных структур наилучшие значения отношения h t не слишком сильно отличаются от единицы.Показанные на Рис. 3.1 ÷ 3.4 результаты весьма поучительны, однако они немогут заменить проведения полноценной оптимизации конструкции. Такая оптимизация проводилась для нескольких вариантов варьирования параметров многостеночной оболочки.

В качестве целевой функции во всех случаях выступал минимум массы конструкции, ограничения сводились к обеспечению заданной несущей способности. При варьировании толщин обшивок и стенок учитывалось,что они должны содержать целое число монослоев с толщиной 0,125 мм каждый.Оптимизация проводилась методом глобального перебора по сетке с шагом попараметрам h и t 1 мм, по толщинам – 1 монослой, по углам – 1-2о.Анализ различных постановок оптимизационной задачи показал следующее: При сохранении квадратной клетки и одинаковых структур обшивок и стенок возможности оптимизации ограничены.

Так, для низкомодульного материала вообще не удается снизить массу базового варианта (h = t = 20 мм);для высокомодульного материала снижение массы составляет 33%. При сохранении квадратной клетки и варьировании структур обшивок наклассе [±φ/0о/±φ] и стенок [±ψ] для низкомодульного материала масса конструкции уменьшается на 11%, для высокомодульного материала уменьшение массы составляет 39%. При раздельном варьировании h и t , обшивок [±φ/0о/±φ] и стенок [±ψ] длянизкомодульного материала весовой выигрыш увеличивается до 12,5%, длявысокомодульного материала масса снижается на 39%.Наибольший интерес представляет вопрос о предельных возможностях [27,28, 62, 103] при минимизации массы оболочки и максимизации ее несущей способности.

Такие границы предельных возможностей строятся в следующем разделе, где они сопоставляются с предельными возможностями трехслойных несущихоболочек [103].43 ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ МНОГОСТЕНОЧНЫХ ИТРЕХСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧЕК С СОТОВЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМКак уже отмечалось, сегодня остается открытым вопрос об эффективностикаждого типа конструкций применительно к конкретному типу отсека, его габаритам, действующим на него нагрузкам и прочим требованиям к его свойствам.В данном разделе изложены результаты исследования сравнительной эффективности многостеночных и трехслойных несущих оболочек отсеков ракетносителей и разгонных блоков.

Такой анализ проводится для типичного реальногоотсека разгонного блока, а также для целого класса отсеков, отличающихся условиями нагружения и требованиями к массе несущих оболочек. Основные результаты опубликованы в [70].При проектных расчетах многостеночных оболочек использовались алгоритмы, изложенные во втором разделе, а для трехслойных оболочек с сотовым заполнителем применялись: алгоритм расчета прочности по первому разрушению согласно [5, 27]; алгоритм расчета общей устойчивости трехслойной оболочки в соответствиис кинематической гипотезой «ломаной линии» согласно [5, 26, 69]; алгоритм расчета местной устойчивости обшивок трехслойной оболочки покоротковолновым формам («сморщивание несущих слоев») согласно [69].4.1. Оптимизация несущей оболочки среднего переходника разгонного блока«ДМ-SL»Несущая оболочка среднего переходника разгонного блока «ДМ-SL»описана в предыдущем разделе.

В существующей конструкции эта оболочкаизготавливается из алюминиевого сплава, однако она представляет собой оченьудобный объект для сравнения эффективности различных типов углепластиковыхнесущих оболочек.Длярасчетоввыбраныдватиповыхматериала:высокомодульныйуглепластик на основе однонаправленной ленты и углепластик на основе ткани.44 Первый из них примерно соответствует материалу M46J/Epoxy [64]; это довольнодорогой углепластик с достаточно высокими характеристиками, для которогосегодня активно разрабатываются отечественные аналоги. Второй материал –относительно дешевый углепластик на основе ткани УТ-900, которая широкоприменяется в отечественной ракетно-космической технике.