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

2ОГЛАВЛЕНИЕ:Стр.Введение………………………………………………………………………………...51 Анализ литературных источников и постановка задачи исследования…………131.1 Исследование прочности конструкций ракетных двигателей…………………131.2 Методики расчета прочности сложных конструкций сиспользованием систем САПР…………………………………………………..141.3 Расчет напряженно-деформированного состояния методом конечныхэлементов…………………………………………………………………………..191.4 Оптимизация конструкций………………………………………………………251.5 Общая несущая способность двухслойных оболочек…………………….……311.5.1 Графо-аналитический метод расчета несущей способностикамеры при одноосном напряженном состоянии………………………….…321.5.2 Графо-аналитический метод расчета несущей способностикамеры при двухосном напряженном состоянии ……………………………341.6 Задачи исследования………………………………………………………..……382.Методы исследования объемной статической прочности сложныхоболочечных конструкций………………………………………………………….392.1.Объекты исследования……………………………………………………………402.2.Метод исследования объемной статической прочностиоднослойных оболочечных конструкций……………………………………...…642.3.

Метод исследования объемной общей несущей способностидвухслойных связанных оболочек………………………………………………..683.Численная реализация методов исследования взаимосвязанныхсложных оболочечных конструкций……………………………………………...713.1 Расчетные исследования взаимосвязанных сложныходнослойных оболочечных конструкций……………………………………...….713.1.1 Исходные данные………………………………………………………….……723.1.2 Расчетные схемы………………………………………………………..……….733.1.3 Опасный элемент конструкции…………………………………………….…..7533.1.4 Упругая оптимизация опасного элемента конструкции……………...………793.1.5 Упругая оптимизация сборки с оптимальным опасным элементном……….993.1.6 Упруго-пластическая оптимизация конструкции сборки……………...…….993.2 Расчетные исследования взаимосвязанных двухслойныхоболочечных конструкций………………………………………………...……1043.2.1 Общая объемная несущая способность камеры жидкостногоракетного двигателя………………………………………………………….…1043.2.1a Исходные данные………………………………………………………….…1043.2.1б Расчетная схема……………………………………………………………...1053.2.1в Несущая способность камеры………………………………………………1083.2.2 Общая объемная несущая способность первоговарианта конструкции жаровой трубы…………………………………...……1193.2.2a Исходные данные………………………………………………………….…1193.2.2б Расчетная схема………………………………………….…………………..1233.2.2в Несущая способность жаровой трубы……………………………………...1253.2.3 Общая объемная несущая способность второго вариантаконструкции жаровой трубы………………………………………………..…1363.2.3a Исходные данные………………………………………………………….…1363.2.3б Расчетная схема………………………………………………………….…..1383.2.3в Несущая способность жаровой трубы…………………………………...….1393.2.4 Общая объемная несущая способность плоскихкамер сгорания……………………………………………………………….…1463.2.4a Исходные данные…………………………………………………………..…1463.2.4б Расчетная схема……………………………………………………………...1483.2.4в Несущая способность модельной камеры……………………………..……1494.

Экспериментальные исследования взаимосвязанныхсложных оболочечных конструкций………………………………….…………..1544.1 Экспериментальные исследования взаимосвязанныхсложных однослойных оболочечных конструкций…………………….……….1544.2 Экспериментальные исследования взаимосвязанных4двухслойных оболочечных конструкций………………………………………..166Заключение………………………………………………………………….………..177Список литературы…………………………………………………………………..179Приложение……………………………………………………………………….….1885ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования и степень ее разработанностиРакетные двигатели относятся к сложным техническим системам. Онишироко используются в авиационных и ракетных комплексах, в космическойтехнике. К ракетнымдвигателям относятся: жидкостные ракетные двигатели(ЖРД); ракетные двигатели твердого топлива(РДТТ); ракетно-прямоточныедвигатели (РПД) на жидком, твердом и пастообразном топливах и др.Конструкции двигателей и их отсеков отличаются большим разнообразием пофункциональному назначению, геометрическим формам и видам нагружения.Применяются однослойные и двухслойные цилиндрические и плоские оболочки,слабоконические и конические оболочки, стержни, трубки, лопатки, пластины.Эти тонкостенные элементы посредством разъемных и неразъемных соединенийобразуют конструкции.

Их сложность состоит в том, что каждый из указанныхэлементов имеет свои индивидуальные функциональные, геометрические имеханические свойства. Так, например, однослойные оболочечные конструкциифункционируют при упругом и упруго-пластическом поведениях материала.Двухслойные оболочки, применяемые в камерах ЖРД и РПД, работают только вупруго-пластической области поведения конструкционных материалов, изкоторых они изготовлены.Современный подход к проектированию ракетных двигателей основываетсяна решении комплексной задачи, которая содержит определение взаимосвязанныхоптимальных характеристик конструктивно-компоновочной схемы, конструкции,технологии изготовления и рабочего процесса ракетных двигателей.

Без широкогоиспользования компьютерных технологий ее решить нельзя.В настоящее время при расчете оболочечных конструкций широкоиспользуются CAD/CAM компьютерные системы САПР. Эти системы являютсяинструментомдлярасчетовнапряженно-деформированногосостояния,оптимального варианта конструкции и др. Появилась возможность оперировать собъемнымнапряженно-деформированнымсостоянием,чтосущественно6повышает точность расчетов и позволяет учитывать истинную геометрическуюформу деталей. Однако требуется существенное совершенствование таких систем,когда ставится задача оптимизации сложной, обладающей большим числомпараметров, конструкции.Актуальным направлением развития качества проектирования ракетныхдвигателей является совершенствование научно-методического обеспеченияСАПР, позволяющего повысить точность вычисления оптимальных габаритномассовыхпараметровконструкций,снизитьихгабаритно-массовыехарактеристики и повысить надежность.Оптимизацияконструктивно-компоновочныхсхемиконструкцийотносится к одним из наиболее сложных задач.

Это объясняется большим числомпеременныхпроектированияиограничений.Применениесовременныхкомпьютерных систем САПР к оптимизации по массе сложных конструкций,состоящих из взаимосвязанных многих деталей, часто приводит к неправильномурешению. Это объясняется неправильным учетом взаимосвязи между взаимнодеформируемыми деталями, большому объему вычислительных работ и,следовательно, накоплению ошибки самих расчетов, расходимости величиныцелевой функции при оптимизации конструкции, большому времени расчета ит.д.

Поэтому актуально создание методов расчета напряженно-деформированногосостояния и оптимизации сложных конструкций, использующих современныесредства САПР, и позволяющих стабильно сложные конструкции, какимиявляются ракетные двигатели. Такие методы должны функционировать дляисследования конструкций, имеющих любую сложность, на которые действуютлюбыекомплексынагрузок.Такойподходопределяетактуальностьисследования.Особоеместозанимаетметодрасчетаобщейобъемнойнесущейспособности двухслойных оболочечных конструкций. Современные методыпозволяют исследовать одномерную и двухмерную задачи. Для объемногонапряженного состояния такой метод отсутствует и, как показали дальнейшиеисследования, его принцип построения отличается от существующих методов.7Цель и задачиЦельдиссертациизаключаетсявразработкенаучно-методическогообеспечения САПР, основанного на применении новых методов, позволяющихоптимизироватьгабаритно-массовыехарактеристикитрехмерныхсложныхконструкций ракетных двигателей.

Сформулированы следующие задачи:1. Разработать метод исследования объемной статической прочностиоднослойных оболочечных конструкций.2. Разработать метод исследования объемной общей несущей способностидвухслойных связанных оболочек.3. Провести анализ экспериментальных данных, необходимых дляверификации математических методов.4. С помощью разработанных методов выполнить расчеты и сформироватьэффективные схемно-конструктивные решения для 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.Реализован метод исследования объемной статической прочностиоднослойных оболочечных конструкций, позволяющий оптимизироватьвзаимосвязанные конструкции однослойных оболочек, стержней, пластин итрубок.

Проведена его успешная верификация на основе экспериментальныхисследований.2.Реализован метод расчета объемной общей несущей способностидвухслойных связанных оболочек. Проведена его успешная верификация наоснове экспериментальных исследований.83.Проведена оптимизация массы основания корпуса отсека РДТТ исформулированы рекомендации по изменению его конструкции.4.Определена объемная несущая способность камеры ЖРД и данырекомендации по изменению конструкции.5.Представлены рекомендации для их проектирования жаровых трубэкспериментальногостенданаосновеисследованияобъемнойнесущейспособности.Теоретическая и практическая значимость работыС помощью разработанных в диссертационной работе методов, решен рядзадач, имеющих теоретическую и практическую значимость.Проведена оптимизация сложной конструкции отсека РДТТ, разработаннаявФГУП«Корпорация«МИТ».Расчетыпозволилиобеспечитьееработоспособность за счет изменения конструкций трубок и снизить массу отсекана 11,6%.