Автореферат (Методы исследования объемной статической прочности сложных оболочечных конструкций ракетных двигателей)

УДК 004.942На правах рукописиЛяшенко Алексей ИвановичМЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕМНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИСЛОЖНЫХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙСпециальность05.13.12 – Системы автоматизации проектирования(отрасль – авиационная и ракетно-космическая техника)Автореферат диссертациина соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук,профессор Абашев В.М.Москва – 2014РАБОТА ВЫПОЛНЕНАна кафедре «Конструкция и проектирование двигателей» в «Московском авиационноминституте» (национальном исследовательском университете)Научный руководитель:Директор Института повышения квалификации и переподготовки МАИ, доктортехнических наук, профессор, В.М.

АбашевОфициальные оппоненты:Заведующий кафедрой «Теплофизические приборы и аппараты» Московскойгосударственной академии приборостроения и информатики, доктор технических наук,профессор, почетный работник Высшего профессионального образования РФ, Б.Т.

ЕрохинВедущий инженер-прочнист ООО «Волга-Днепр-Москва», кандидат технических наукА.А. ЗагорданВедущее предприятие:ОАО «Национальный институт авиационных технологий» (ОАО «НИАТ»),127051, г. Москва, ул. Петровка, 24.Защита состоится 29 декабря 2014 г. в 12:00 часов на заседании диссертационногосоветаД212.125.13«Московскогоавиационногоинститута»(национальногоисследовательского университета) по адресу: 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4,главный административный корпус, зал заседаний ученого совета.Просим Вас принять участие в обсуждении диссертационной работы илиприслать свой отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, по указанному выше адресу.Для участия в заседании диссертационного совета необходимо заблаговременнозаказать пропуск по тел. +7 (499) 158 4591.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута. С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте ВАК РФ по адресуhttp://vak.ed.gov.ru.Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК РФ «26» октября 2014 г.Автореферат разослан «___» ____________ 2014 г.Ученый секретарьдиссертационного Совета Д212.125.13кандидат технических наук, профессорЛ.В.

Маркин2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыАктуальнымнаправлениемразвитиякачествапроектированияконструкций является совершенствование научно-методического обеспеченияСАПР, позволяющего повысить точность вычисления оптимальных габаритномассовыхпараметровконструкций,снизитьихгабаритно-массовыехарактеристики и повысить надежность. Разработка и исследование моделей,алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектирования проектныхрешений, включая конструкторские и технологические решения в САПР, служатосновой такого совершенствования. Это позволяет повысить качествореализации жизненного цикла проектирования-производства-эксплуатацииизделия.При проектировании конструкций широко используются CAD/CAEкомпьютерные системы САПР: NASTRAN, ANSYS, COSMOS и др.

Часто ихприменение осложняется проблемой качественного взаимодействия модулейсистемы или самих систем между собой при решении сложных задачпроектирования. К каким задачам относится оптимизация конструкций,содержащих большое число переменных проектирования, при упругом и упругопластическом поведениях металлических материалов. Подобные сложныеконструкции имеют ракетные двигатели, относящихся к сложным авиационными ракетно-космическим техническим системам.К ракетным двигателям относятся: жидкостные ракетные двигатели(ЖРД), ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ), ракетно-прямоточныедвигатели (РПД) на жидком, твердом и пастообразном топливах и др.

Онишироко используются в авиационных и ракетных комплексах, в космическойтехнике. Конструкции двигателей, их отсеков и экспериментальных стендовотличаются большим разнообразием по функциональному назначению,геометрическим формам и видам нагружения. Применяются однослойные идвухслойные цилиндрические и плоские оболочки, слабоконические иконические оболочки, стержни, трубки, лопатки, пластины.

Эти тонкостенные3элементы посредством разъемных и неразъемных соединений образуютконструкции. Их сложность состоит в том, что каждый из указанных элементовимеет свои индивидуальные функциональные, геометрические и механическиесвойства. Подавляющее число исследований подобных конструкций посвященооптимизации отдельных элементов или всей конструкции. При оптимизацииотдельных элементов получают существенно приближенные решения из-заиспользования приближенных граничных условий. При оптимизации всейконструкции современные компьютерные системы оперируют с большимчислом переменных проектирования, что не дает возможность найти точноеоптимальноегеометрическиеконструкции.решение,иучестьмеханическиеПолучениеиндивидуальныеособенностидостоверныхфункциональные,отдельныхрезультатовэлементовосложняетсянеобходимостью комплексного использования различных компьютерныхсистем и их вычислительных модулей, а такая методика в настоящее времяотсутствует.Расчеты общей несущей способности двухслойных связанных оболочек,работающих в условиях действия значительных по величине статическихраспределенных и сосредоточенных сил и градиентов температуры, проводятсядля плоского напряженно-деформированного состояния.

Для объемной задачитакая методика отсутствует.Эти и другие недостатки применения различных CAE-систем САПР недают возможность повысить точность оптимизационных расчетов однослойныхоболочечных конструкций при решении объемной задачи, учитывающейиндивидуальные функциональные, геометрические и механические особенностиотдельных элементов конструкции. Решение задачи объемной общей несущейспособности двухслойных связанных оболочек позволит повысить точностьрасчетов таких теплонапряженных элементов конструкции, какими являютсякорпуса камер сгорания с регенеративным охлаждением.Вышеперечисленные задачи пока не получили своего решения и поэтомуявляются предметом исследования данной диссертации.4Цель и задачи диссертацииЦель диссертации заключается в разработке научно-методическогообеспечения САПР, основанного на применении новых автоматизированныхметодов, позволяющих оптимизировать габаритно-массовые характеристикитрехмерных сложных конструкций ракетных двигателей для авиационной иракетно-космической техники.

Сформулированы следующие задачи:1.Разработатьавтоматизированныйметодисследованияобъемнойстатической прочности однослойных оболочечных конструкций.2.Разработать автоматизированный метод исследования объемной общейнесущей способности двухслойных связанных оболочек.3.Провестианализэкспериментальныхданных,необходимыхдляверификации математических методов.4.С помощью разработанных автоматизированных методов выполнитьрасчеты и сформировать эффективные схемно-конструктивные решениядля отсека РДТТ, ЖРД и РПД.5.Экспериментально подтвердить эффективность разработанных схемноконструктивных решений.6.Разработать рекомендации по улучшению характеристик элементовконструкций отсека РДТТ, ЖРД и РПД.Научная новизна исследованияВ соответствии с поставленными в работе задачами получены следующиенаучные результаты, обладающие научной новизной и выносимые на защиту:1.Реализованавтоматизированныйстатическойпрочностипозволяющийметододнослойныхоптимизироватьисследованияоболочечныхвзаимосвязанныеобъемнойконструкций,конструкцииоднослойных оболочек, стержней, пластин и трубок.

Проведена егоуспешная верификация на основе экспериментальных исследований.2.Реализован автоматизированный метод расчета объемной общей несущейспособности двухслойных связанных оболочек. Проведена его успешнаяверификация на основе экспериментальных исследований.53.Проведена оптимизация массы основания корпуса отсека РДТТ на основеавтоматизированногометодаисследованияобъемнойстатическойпрочности однослойных оболочечных конструкций и сформулированырекомендации по изменению его конструкции.4.Определена объемная несущая способность камеры ЖРД на основеавтоматизированныхметодовисследованияобъемнойстатическойпрочности однослойных оболочечных конструкций и расчета объемнойобщей несущей способности двухслойных связанных оболочек; данырекомендации по изменению конструкции.5.Выполнен выбор оптимальной геометрической формы плоских камерсгорания РПД на основе метода расчета объемной общей несущейспособности двухслойных связанных оболочек.6.Представленырекомендациидляпроектированияжаровыхтрубэкспериментального стенда на основе метода расчета объемной общейнесущей способности двухслойных связанных оболочек.Предмет и объект исследованийПредметом исследований являются математические модели и алгоритмыавтоматизированныхрасчетовнапряженно-деформированногосостояниясложных конструкций.Объектыисследований–расчетныемоделинапряженно-деформированного состояния сложных авиационных и ракетно-космическихконструкций.Методы исследованияРазработанные в диссертационной работе методы основываются наобщепринятых физических моделях и математических методах, в том числеметодах конечных элементов и анализа чувствительности.

Достижениепоставленных целей осуществлялось путем расчетно-экспериментальныхисследований. Расчеты осуществлялись с помощью инженерных методик, новыхи известных численных методов с использованием CAD/CAE-систем САПР типа6SolidWorks и COSMOS. Эксперименты проводились: на стенде для прочностныхиспытаний крупногабаритных конструкций, обеспечивающем создание осевыхрастягивающих и сжимающих сил, изгибающих и крутящих моментов; наэкспериментальном огневом подогревателе, обеспечивающем холодные иогневые режимы работы, создание давлений газа в камере и жидкости вмежрубашечном тракте, регистрацию напряженно-деформированного состояниякорпуса.Достоверность научных положенийОпределяетсякорректностьюэкспериментальнымипоставленныхисследованиями,задач,успешнойпроведеннымиверификациейматематической модели.Практическая ценность результатовС помощью разработанных автоматизированных методов решен ряд задач,имеющих практическую значимость для авиационной и ракетно-космическойтехники.ПроведенаоптимизациясложнойконструкцииотсекаРДТТ,разработанной в ФГУП «Корпорация «МИТ».