Диссертация (Методы исследования объемной статической прочности сложных оболочечных конструкций ракетных двигателей), страница 6

Разработать метод исследования объемной общей несущей способностидвухслойных связанных оболочек.3. Провести анализ экспериментальных данных, необходимых для верификацииматематических методов.4. С помощью разработанных методов выполнить расчеты и сформироватьэффективные схемно-конструктивные решения для отсека ракетного двигателятвердого топлива (РДТТ), жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) и ракетнопрямоточного двигателя (РПД).5.Экспериментальноподтвердить эффективностьразработанныхсхемно-конструктивных решений.6.Разработатьрекомендациипоконструкций отсека РДТТ, ЖРД и РПД.улучшениюхарактеристикэлементов39ГЛАВА 2МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕМНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИСЛОЖНЫХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙВ разделе рассматриваются предлагаемые методы исследования сложныходнослойных и двухслойных металлических оболочечных конструкций.Проблема проектирования сложных однослойных конструкций заключаетсяв проведении оптимизационных расчетов.

Часто не удается выполнитьоптимизацию всей конструкции с использованием современных компьютерныхсистем типа COSMOS из-за того, что результат оптимизации существенноотличается от глобального минимума. При этом требуется большой объемоперативной памяти компьютера и расчет занимает значительное время. Этообъясняется различным влиянием элементов, составляющих конструкцию, на еенапряженно-деформированное состояние и их взаимным влиянием.В настоящей работе представлен метод последовательной оптимизации [7779] с помощью компьютерных систем типа COSMOS. Он основан на определенииодного или нескольких наиболее опасных элементов конструкции, оказывающихнаибольшее влияние на напряженное состояние сборочной единицы.

Опасныйэлемент оптимизируется отдельно, а затем выполняется оптимизация всейконструкции,содержащейэтотоптимальныйопасныйэлемент.Такаяоптимизация проводится последовательно для других, выделенных элементов.Необходимой составной частью метода является проведение испытаний, анализрезультатов оптимизации и экспериментальных исследований.Проблемапроектированиясложныхдвухслойныхметаллическихоболочечных конструкций связана с разработкой метода [80, 81], учитывающеготрехмерное напряженно-деформированное состояние.

Расчеты выполняются спомощью компьютерных систем типа COSMOS. В предложенном методепроводятся упруго-пластические расчеты. Выбирается предельная величинадавления в камере, являющаяся результатом расчета общей несущей способноститрехмерного напряженного состояния. Используется комплекс новых критериев.402.1. Объекты исследования.Первым объектом исследования сложных оболочечных конструкций,который рассматривается в настоящей работе, является металлический корпусотсека РДТТ [77 - 79], который показан на рисунке 2.1. Геометрическая модельсделана в компьютерной системе SolidWorks. Особенность заключается всложной конструкции и разных системах действующих нагрузок.В состав корпуса входит сборочная единица – «Основание» 1, а такжедетали: кольцо 2 и семьдесят два направляющих ребра 3, имеющих разноеисполнение.

«Основание» связано с кольцом с помощью направляющих ребер.Они свариваются как с «Основанием», так и с кольцом. На рис. 2.2, в качествепримера,представленагеометрическаямодельодногоизисполненийнаправляющего ребра. Ребра выполнены в виде пластин переменной толщины.Кольцо имеет форму цилиндрической оболочки.«Основание» (рисунок 2.3) содержит тридцать две сборки «Труба в сборе» 1и детали: шпангоут 2, обечайку 3, четыре платы 4, сорок восемь усилительныхребер 5 трех исполнений.Сборка «Труба в сборе» показана на рис. 2.4.

Она состоит из трубки 1, кконцам которой приварены плоские пластины 2. Шпангоут представлен нарисунке 2.5. Он выполнен в виде цилиндрического кольца.Обечайка (рисунок 2.6) имеет небольшой угол конусности (до 5) счетырьмя подкрепленными отверстиями. Плата представляется в виде толстойпластины с центральным отверстием, к одному концу которой приварены пятьребер. Ее геометрическая модель видна на рисунке. 2.7.Для повышения жесткости конструкции корпуса между «Основанием» ишпангоутом установлены усилительные ребра.

Один из трех вариантовконструкции усилительного ребра показан на рисунке 2.8. Ребро представляетсобой пластину, имеющую постоянную толщину.413311221 – «Основание», 2 - кольцо 3 – направляющие ребраРисунок 2.1 – Геометрическая модель корпуса отсека РДТТРисунок 2.2 – Геометрическая модель направляющего ребра4211224 433551 - «труба в сборе», 2 – шпангоут, 3 – обечайка, 4 – плата, 5 – усилительноереброРисунок 2.3 – Геометрическая модель «Основания»2211221 – трубка, 2 – плоская пластинаРисунок 2.4 – Геометрическая модель сборки «Труба в сборе»43Рисунок 2.5 – Геометрическая модель шпангоутаРисунок 2.6 – Геометрическая модель слабоконической обечайки44Рисунок 2.7 – Геометрическая модель платыРисунок 2.8 – Геометрическая модель одного из вариантов конструкцииребра45Анализ геометрической формы металлического корпуса отсека РДТТпоказывает большое разнообразие взаимосвязанных между собой элементовконструкций.

К ним относятся: цилиндрические и слабоконические оболочки,пластины постоянной и переменной толщины, трубки, оболочки и пластины сотверстиями, и т.д. Указанные элементы конструкции имеют разную толщину.Все это говорит о том, что простым использованием метода конечныхэлементов,использующимодновременнуютриантуляциювсейсложнойконструкции объемными конечными элементами с последующим получениемупруго-пластических перемещений, деформаций и напряжений, одновременнойоптимизацией всей конструкции не удастся получить правильное и точноерешение.Этообъясняетсязначительнойгеометрическойразнородностьюэлементов конструкции, разным вкладом составных частей конструкции в общеенапряженно-деформированное состояние и их взаимное влияние.Следующими объектами исследования являются конструкции двухслойныхвзаимосвязанных металлических оболочек. К ним, в частности, относятся камераЖРД [80, 81].

Такая камера является паяно-сварной конструкцией. Один извариантов наиболее простой конструкции камеры ЖРД показан на рисунке 2.9.Камера состоит из четырех составных частей: головки 1, камеры 2 сгорания,зоны 3 критического сечения и сопловой части 4. К головке приварены три узла 5крепления. На выходе сопловой части установлен коллектор 6 подвода горючего.Часто применяют конструкцию камеры, в которой узлы креплениярасполагаются на бандаже в области зоны критического сечения. Такоерасположениеузловкрепленияпозволяетразрабатыватькачающуюсяотносительно вертикальной оси камеру.Существуюткамеры,укоторыхпослеколлектораразмещаетсянеохлаждаемый насадок.Головка камеры представлена на рисунке 2.10. Она состоит из наружногоднища 1, кольца 2 и блока форсунок.

Блок форсунок содержит среднее днище 3,дефлектор 4, огневое днище 5 и форсунки 6. Здесь показана одна из 61 форсунок.4655221 13 364461 – головка, 2 – камера сгорания, 3 – зона критического сечения, 4 – сопловаячасть, 5 – узел крепления, 6 – коллектор.Рисунок 2.9 Элементы конструкции камеры71 1323245566 71 – наружное днище, 2 – кольцо, 3 – среднее днище, 4 – дефлектор, 5 – огневоеднище, 6 – форсунка, 7 – перфорированное кольцо.Рисунок 2.10 - Конструкция головки с центральной форсункой47Среднее днище, дефлектор и огневое днище соединяются между собойперфорированным кольцом 7. Головка приваривается к наружной оболочкекамеры сгорания посредством кольца 2. Огневое днище сваривается с внутреннейоболочкой камеры сгорания.Часто в конструкциях головок используются кольцевые перфорированныеребра жесткости. Они соединяют между собой наружное среднее днища.

Этопозволяет повысить жесткость и несущую способность конструкции.В рассматриваемой камере выполнено коническое наружное днище. Такжеприменяютполусферическое,эллиптическоеиторосферическоеднища.Полусферическое днище имеет наименьшую массу. Применение эллиптическогоднищапозволяетуменьшитьосевойразмерконструкции.Конструкцияторосферического днища дает возможность избежать появления значительногоизгибающего момента, характерного для эллиптических днищ.В головку через центральное отверстие, выполненное в днище 1,подводится окислитель. Окислителем служит жидкий кислород. Из полости,образованной наружным и средним днищами, окислитель поступает в форсунки ираспыляется ими в камеру сгорания.Горючим является керосин. Он из межрубашечного тракта камеры сгоранияподается в полость, заключенную между огневым днищем, дефлектором иперфорированным кольцом.

Через малые отверстия дефлектора горючееперетекает в полость, образованную дефлектором и средним днищем. Керосинпоступает в форсунки и далее – в камеру сгорания. Такая конструкция позволяетобеспечить надежное охлаждение керосином огневого днища.Камерасгорания,зонакритическогосеченияисопловаячастьизготавливаются из двух взаимосвязанных оболочек. Между оболочкамиорганизованы каналы, по которым течет горючее в направлении от коллектора кголовке. Такая конструкция позволяет обеспечить охлаждение оболочек отвоздействия конвективного и лучистого тепловых потоков, идущих из камеры.Главная функция внутренней оболочки заключается в том, чтобы передатьтепловые потоки в охлаждающую жидкость.

Поэтому внутреннюю оболочку48изготавливают из теплопроводных материалов: бронзового сплава БрХ-0,8; стали12Х18Н9Т, покрытой медью; и др.Внутренняя оболочка, состоящая из нескольких секций, показана нарисунке 2.11. Методом фрезерования на ее наружной поверхности выполненыребра 1. Ребра могут быть наклонены к продольной оси камеры (до 45). Уголнаклона в секциях определяется при расчете охлаждения камеры.Наружная оболочка является силовой.

Ее главное функциональноеназначение – обеспечить прочность камеры и через узлы крепления передать тягуна корпус ракеты. Поэтому она изготавливается из сталей: 12Х18Н9Т,12Х18Н10Т.На выбор марки конструкционного материала оказывают основное влияниеее механические свойства, совместимость с припоями, технологические свойства.Припои обеспечивают неразъемное соединение между внутренней и наружнойоболочками по вершинам ребер.На рисунке 2.12 видна конструкция наружной оболочки.Секции оболочкисоединяются между собой сваркой.