Диссертация (Анализ прочности и оптимизация многостеночных композитных оболочек летательных аппаратов), страница 9

Этообъясняет тот факт, что линии, характеризующие предельные возможности трехслойной оболочки на Рис. 4.2,а, состоят из четко различимых участков, разделенных изломами. Каждый такой участок начинается с добавления еще одного слоя вобшивки. Это соответствует значительному (почти линейному) росту максимальной предельной нагрузки с увеличением массы, которое происходит за счет увеличения толщины заполнителя. Несущая способность при этом определяется общей устойчивостью (близкие значения также у предельной нагрузки по синфазным формам местной устойчивости); имеется дополнительный запас по прочности.

При дальнейшем увеличении массы предельная нагрузка по прочности становится равной предельной нагрузке по общей устойчивости. Происходит перелом, однако несущая способность еще может расти, хотя и медленнее. Это происходит за счет увеличения толщины заполнителя при одновременном разворотеспиральных слоев осевом направлении, чтобы обеспечить увеличение прочности.Наконец, толщина заполнителя увеличивается настолько, что несущую способность наряду с прочностью и общей устойчивостью начинает лимитировать местная устойчивость по антифазным формам.

Дальнейшее увеличение толщины заполнителя уже не приводит к росту несущей способности, и начинается горизонтальный участок кривой. Он продолжается до тех пор, пока не становится возможным добавить в обшивки еще один слой. При этом толщина заполнителя резко уменьшается, угол армирования спиральных слоев скачком возрастает до 6070 и начинается новый цикл. Аналогично ведет себя и трехслойная оболочка с  56 обшивками на основе ткани (Рис.

4.2,б); но, поскольку для ткани характеристикив направлениях 1 и 2 практически одинаковы, разница лишь в оптимальных углахармирования, которые могут изменяться от 0 до  45.Границы предельных возможностей для многостеночной конструкции также состоят из пологих и крутых участков. Как правило, в начале каждого крутогоучастка в обшивки или стенки добавляется слой.

Затем происходит перестроениеформы клетки и разворот спиральных слоев. Масса возрастает сначала медленно,а после выхода на условие прочности обшивок – быстрее (запас общей устойчивости постоянно близок к единице). Когда же к единице подходят и запас прочности, и запас местной устойчивости – снова добавляется очередной слой.В результате действия отмеченных факторов сравнительная эффективностьоболочек двух конструктивных схем не является постоянной.

Она зависит от сочетания пологого и крутого участка для каждой кривой, и, следовательно, в значительной мере случайна. В рассмотренном примере при некоторых сочетанияхмассы и нагрузки обе схемы имеют практически одинаковую массовую эффективность, тогда как в других случаях оптимальная многостеночная оболочка может быть более, чем на 40% легче оптимальной трехслойной. Однако видно, что вправой части графиков преимущество многостеночной конструкции становитсязаметнее.Сравнительный анализ эффективности оптимальных оболочек позволяетсформулировать следующие выводы [70]. Для обеих рассмотренных конструктивных схем рост несущей способностис ослаблением требований по массе происходит крайне неравномерно. Этосвязано с дискретным характером изменения толщин многослойных материалов; особенно сильно выражен этот эффект для углепластика на основеткани. В целом многостеночная структура оказывается эффективнее трехслойной врассмотренном диапазоне нагрузок и масс оболочки, хотя в некоторых случаях их эффективность близка.

Это связано с большей адаптивностью мно-  57 гостеночной схемы за счет большего числа варьируемых параметров и отсутствием дополнительной массы клея. Преимущество многостеночной схемы над трехслойной возрастает с увеличением нагрузок и ослаблением требований по массе.  588 ГЛАВВА 5. ЭКССПЕРИММЕНТАЛЛЬНЫЕ ИСЛЕДОИОВАНИЯРРеальныее несущиее конструукции раккет-носиттелей (РНН), имеющщие сложжнуюнеодноородную структурру, работаают в услловиях прространственно нерравномеррных,быстроо меняющщихся во времени тепловыхх потоковв и нагруузок. При этом модделированиие тепловвого и наапряженного состоояния такких объекктов – весьма сложжнаязадачаа, особеннно с учетоом возможжных раззбросов тееплофизиических и прочносттныххаракттеристик материаллов и менняющихсяя погодныых условиий во времмя эксплууатации. ПоэтомуПииспытаниия неболььших обраазцов, иммеющих тут же стрруктуру, чточ иреальнные консттрукции, в условияях непосрредственнного воздеействия температутуры иосевойй нагрузки в сочеттаниях, бллизких к наиболеенопаснымм варианттам эксплууатации, ммогут датть очень ценнуюцинформацицию о харрактере деформирдования и разрушенния слоев и о работтоспособнности коннструкцийй.ЗЗадачей такихтисппытаний являетсяяимитацияя штатной эксплуатации рееальной коонструкциии с цельюю установить, соххранит ли несущуюю способнность образец,если ообщая сжиимающаяя нагрузкаа, действуующая наа него, и температтура на нагреваемойй обшивкке образцаа изменяюются в соответствиии с заданнными заависимосттями.Примеер такой зависимоости, характернойй для обтекателя РНР «Проттон» [66,, 67],приведден на Риис.

5.1.Рисс. 5.1. Циккл нагружжения иссследуемогго объектта при исппытании  59 При проектировании несущих конструкций, эксплуатирующихся в условияхнестационарного нагрева (таких, как отсеки и обтекатели РН и РБ), необходимознать зависимости от температуры деформативных и прочностных характеристикматериала. Определение таких характеристик можно вести тоже на образцах, являющихся фрагментами реальной конструкции, но в условиях полного прогреваобразца, размещенного в термокамере испытательной машины, при нагружениина сжатие. Эта задача дополняет первую, позволяет правильно интерпретироватьрезультаты испытаний в условиях нестационарного нагрева и создает условия длясовершенствования конструкций.Целью поставленной задачи являются экспериментальное исследование характера деформирования и разрушения фрагментов несущей многостеночнойоболочки, и оценка их работоспособности в условиях температурного и силовоговоздействий, соответствующих штатной эксплуатации РН.Для достижения поставленной цели проведены два вида испытаний: исследования характера деформирования и разрушения многостеночных образцов вусловиях одноосного сжатия при полном прогреве до заданной температуры иподтверждение работоспособности многостеночных образцов в условиях воздействия одностороннего нагрева и сжимающей нагрузки, имитирующих старт и полет ракеты-носителя «Протон».Программа испытаний многостеночных образцов в условиях одноосногосжатия при полном прогреве до заданной температуры включает в себя испытания на одноосное сжатие модельных образцов из ПКМ при следующих температурах: 2025С, 100C, 140C, 170C и 190200C.

Для обеспечения статистической оценки полученных результатов при каждой температуре необходимо провести как минимум 3 испытания. Один образец необходим для отладочных испытаний.Испытания многостеночных образцов проведены с использованием испытательной машины Instron-8800 и тензометрического прибора СИИТ-3. Принципиальная схема проведения испытаний иллюстрирована на Рис.

5.2. Порядок прове-  60 дения и основные результаты проведенных экспериментальных исследований изложены в следующих параграфах и работе [72].5.1. Условия и порядок проведения испытанийДля проведения испытаний должна использоваться испытательная машина стермокамерой, позволяющей вести испытания при температуре до 200С включительно, например, машина Instron-8800 с термокриокамерой, позволяющей вестииспытания в температурном диапазоне от –180С до +350С.Для контроля деформаций образцов во время нагружения могут использоваться как тензодатчики, так и съемные деформометры. Измерение деформацийпри испытаниях не только для определения деформативных характеристик образца, но и для контроля однородности поля деформаций в рабочем сечении образца,от которой зависит достоверность экспериментальных данных о характеристикахупругости и прочности.

Для контроля однородности поля деформаций в рабочемсечении образца используются тензодатчики – по одному продольному в центрекаждой стенки образца и два или четыре поперечных датчика, расположенныхвблизи продольных.Для увеличения степени однородности поля деформаций в рабочей частиобразца для нагружения следует использовать специальное приспособление в виде центрирующей платформы с шариком (см. Рис. 5.3).Небольшие смещения этой платформы в горизонтальной плоскости припредварительных нагружениях образца до небольших нагрузок (не более 0,3 отразрушающей нагрузки) позволяют добиться максимально возможной однородности поля деформаций по показаниям продольных датчиков.Возможны два варианта последовательности проведения испытаний при повышенной температуре [72].  611   ПоддготовкаоббразцаНакллейкадатччиков Устаноовка приспособбления Устаноовка образзцана испытаательном стендес в теермокамерре перред нагреваательноом устройсством Крепплениедеформмометра Спец.

изммер. ПриборСИИИТ-3Заданыы зависиммости Р, Т  по временниОпиисание даннныхдеформометраОбрааботкаданнныхиспытаний ПКупправлениеиспп. стендомм ПККописаниее данныхдатчииковРезулльтаты Граафики;База данных.Рис. 5.2. Принциипиальнаяя схема прроведенияя испытаннийногостеноочных коммпозициоонных обрразцовмн  622 Рис. 5.3. Центтрирующаая платфоорма для испытанииий на сжатиеРис. 55.4.