Автореферат (Стержневые и полупространственные модели деформирования слоистых закрученных изделий в поле стационарных и нестационарных нагрузок), страница 2

Это связанос тем, что несущая способность стержневых изделий очень часто определяется вместах концентрации напряжений, так как именно там наступает предельное состояние и разрушение.Применяя КМ, можно дополнительно применить принципиально новый способ снижения концентрации напряжений, основанный на армировании многослойного стержня или лопатки высокомодульными и высокопрочными борными,углеродными и другими волокнами.В настоящее время математические методы моделирования динамическогоповедения многослойных конструкций из КМ разработаны недостаточно.

В уравнениях движения не учитывалось влияние многослойной структуры с жесткимианизотропными слоями на значения собственных частот и коэффициентов механических потерь.Таким образом, традиционно используемые методы расчета в силу своих ограничений не позволяют предсказать с необходимой точностью частотные характеристики многослойных анизотропных стержневых изделий на этапе эскизногопроектирования.

На практике вибрационная настройка всегда была сопряжена сбольшими трудностями и осуществлялась в основном экспериментально. Поэтому внедрение новых, более точных расчетных методов в процесс проектированиямногослойных стержней или рабочих лопаток из КМ, является актуальной научно-технической задачей, которая обладает существенной новизной и имеющая важное практическое значение.Объектом исследования являются призматические многослойные анизотропные стержни, образованные из различных слоев линейно деформируемогоанизотропного КМ, которые в поперечном сечении имеют произвольную конфи-7гурацию и могут находить под совместным действием растягивающих, изгибающих и крутящих моментов.Цель работы. Разработка математических расчетных моделей задачи механики сплошной среды, позволяющих исследовать НДС композиционных телстержневого типа на основе линейного однородного, анизотропного и структурного подходов, является целью настоящей работы для изучения влияния числаслоев, свойств отдельных слоев и их взаимодействие.В соответствии со сформулированной целью работы были поставлены и решены следующие задачи: разработка метода решения задачи теории упругости неоднородных слоистых тел с регулярной структурой, который позволяет учитывать влияния неоднородности структуры на распределение перемещений и напряжений; разработка эффективных методов решения задач с применением современных ЭВМ, для исследования НДС при кручении многослойных анизотропныхпризматических стержней, поперечное сечение которых представляют собой произвольную область; исследование распределение касательных напряжений, в том числе на поверхности контакта составного тела при его кручении, а также определение жесткости на кручении, в широком диапазоне изменения характерных физических игеометрических параметров многослойного призматического стержня; создание приближенного метода расчета естественно-закрученных составных анизотропных стержней слоистой структуры произвольного сечения в условиях кручения, изгиба, растяжения и действия центробежных нагрузок. на основе известных моделей неоднородного упругого тела провести расчеты прочности, колебаний тел стержневого типа; разработать методику расчета НДС композитных лопаток и лопастей, содержащих анизотропные или структурно неоднородные слои, с целью варьирования состава компонентов и ее структуры при неизменных внешних размерах иформе конструкции; на основе использования разработанной теории описать особенности деформирования высоконагруженных композитных изделий в поле центробежныхсил; получить расчетные соотношения для напряжений, углов раскрутки, технических частот исследуемых тел, используемых как для теоретических, так и прикладных задачах.Научная новизна.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации,состоит в следующем:- разработаны и получены расчетные формулы разрешающих уравнений дляопределения деформаций призматических тел с учетом слоистой структуры, вчасти изучения влияния числа слоев, свойств отдельных слоев, их взаимодействияи депланации поперечного сечения;- впервые разработана методика решения дифференциальных уравнений, позволяющее определить НДС в призматических телах, с удовлетворением всехграничных условий на контактных поверхностях многослойных анизотропных8тел и учесть закономерности распределения касательных напряжений и перемещений.- построена закономерность изменения жесткости сечения при кручениислоистого стержня с увеличением количества слоев и найдено его аналитическоевыражение для тела многослойной структуры.- построены номограммы и таблицы, отражающие зависимости интегральныххарактеристик жесткости стержня и его составных частей для определения модуля сдвига.- построена для определения жесткости на кручение слоистых анизотропныхстержней произвольного сечения оригинальная методика с использованием решения задачи кручения методом конечных элементов (МКЭ).- впервые даны оценки характера распределений и уровней напряжений в отдельных слоях многослойных анизотропных стержней после их деформированияна стадии эксплуатации, что важно при решении вопроса о пригодности их длядальнейшего использования;- разработаны алгоритм и программы, позволяющие проводить раскрой сечений по слоям, с целью варьирования их физических параметров для обеспечениянадлежащей прочности, жесткости и сохранения формы конструкции;- дана математическая формулировка задачи о НДС многослойного анизотропного призматического стержня произвольного сечения при действии растягивающих сил, изгибающих и крутящих моментов.

Предложен алгоритм построенияприближенного решения сформулированной задачи;- предложены для естественно–закрученных слоистых анизотропных стержней новые кинематические соотношения, которые учитывают нелинейные деформации, эффекты действия поперечных сил и НДС в плоскости в сечении, что хорошо согласуются с имеющими экспериментальными данными;- получены основные соотношения для расчета НДС в композитных телахстержневого типа в поле центробежных сил;- получено расчетные соотношения для определения технических частот исследуемых тел, пригодных как для теоретических, так и прикладных целей.Практическая ценность. Результаты, полученные в работе, представляюттеоретическую и практическую ценность для расчета и проектирования многослойных анизотропных конструкций неоднородной структуры.Результаты разработанной комплексной программы позволяют проводитьпослойный раскрой сечений по длине многослойного стержня (лопатки) из КМ ивнедрены в производства по изготовлению лопаток из КМ в ООО «Политермо»(г.Истра, Московская обл.).По результатам исследования получен инновационный патент и удостоверение автора №89798 (г.

Астана, 2016 г. Министерства юстиции РК) по теме «Способ изготовления композитных лопаток ветроустановки согласно утвержденнымматематическим моделям методом вакуумно-компрессорной пропитки».Разработанный комплекс расчетных программ зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности как «Программа для ЭВМ» натему «Решения задачи кручения слоистых анизотропных стержней произвольногосечения методом конечных элементов» (№2016662153 от 31.10.16).9Методы исследования.

При решении поставленных задач использовалисьвариационный принцип, аналитические и численные методы расчета НДС изделий из КМ. Для аналитических расчетов и расчета численными методами при определении НДС многослойных стержневых изделий из КМ использовался языкпрограммирования ФОРТРАН. Графики расчетов построены с помощью пакетаприкладных программ Grapher, Surfer. Для проведения конечно-элементных расчетов НДС лопаток компрессора из КМ был использован программный комплексАNSYS для сравнения с результатами аналитического расчета.На защиту вносится:- математические модели механики для расчета НДС многослойных анизотропных сред, сводящихся к системе дифференциальных уравнений с параметрами, учитывающих разрывы на границах раздела слоев и непрерывными в пределах одного слоя;- расчетная модель задачи о НДС многослойного анизотропного призматического стержня произвольного сечения при действии растягивающих сил, изгибающих и крутящих моментов и алгоритм его решения;- результаты анализа НДС и жесткости на кручение многослойного стержняпрямоугольного сечения, образованных из различных анизотропных материаловпри кручении;- методика и результаты решения задачи кручения многослойного анизотропного стержня произвольного сечения;- кинематические соотношения для исследования НДС многослойных естественно-закрученных анизотропных стержней и результаты анализа НДС многослойной компрессорной лопатки, находящихся в поле центробежных сил;- физическая картина деформирования слоистых композитов рабочих лопатокс целью создания изделий и материалов с заданными свойствами, в том числе, безизменения внешней формы анизотропного тела;- расчётное и экспериментальное определение собственных частот и формколебаний лопаток;- анализ условий возникновения резонансов и мер по их устранению на рабочих режимах работы двигателя;Личный вклад автора.

Автор провел обобщение и анализ отечественных изарубежных исследований по основным вопросам механики и НДС изделий изКМ, на основе которых было выбрано научное направление работы. Автор принимал непосредственное участие в постановке и проведении исследовании по теме диссертации, разработал аналитическую программу расчета НДС стержневыхконструкции из КМ, выполнил анализ проведенных исследований.Принимал непосредственное участие в получении исходных данных, разработал и реализовал методику моделирования, получил и обработал результаты исследований, подготовил основные публикаций и лично выступал с докладами повыполненной работе.Основные результаты исследований автор доложил на различных международных конференциях и опубликовал в рецензируемых журналах.За период учебы в докторантуре МАИ и выполнения работы проводилосьвнедрение результатов исследований в практической деятельности ООО «Поли-10термо» (г. Истра, Московская обл.).Достоверность результатов.