Диссертация (Численное моделирование напряженно-деформированного состояния конструкций авиационных изделий при совместной эксплуатации с носителем)

2ОглавлениеВведение………………………………………………………………………….. 4Глава 1. Обзор литературы по основным вопросам исследования…….…....11Глава 2. Методика моделирования напряженного состояния и оценкидолговечностиконструкцийавиационныхизделийприслучайномнагружении………………………………………………….……….………….2.1. Методикаконечно-элементногомоделирования22динамическогосостояния…………………………………………………………………..……2.2. Методикаконечно-элементногомоделирования22напряженногосостояния конструкции…………………………………………………………. 252.3. Методикаоценкидолговечностиконструкцииприслучайномнагружении………………………………..……………………………………...

282.4. Моделирование реализаций случайных процессов напряжений…........… 312.5. Схематизация реализаций процессов напряжений и построение кривыхповторяемости циклов напряжений…………………………………………...342.6. Построение приведенной кривой усталости для элементов конструкцииавиационного изделия…………………………………………………….……372.7.

Оценка долговечности конструкции…………………….…………………. 43Глава 3. Динамическое состояние конструкции авиационного изделия прислучайном пространственном кинематическом возбуждении………………... 493.1. Анализ собственных форм и частот конструкции………………….……3.2. Характеристикивиброускоренийконструкции50авиационногоизделия…………………………………………………………......……………3.3.

Сопоставлениерезультатовчисленногомоделирования52иэкспериментальных данных……………………………………………….…….. 60Глава 4. Исследование напряженного состояния конструкции авиационногоизделия при случайных колебаниях …………...……………………...……….. 6834.1. Моделированиенапряженногосостоянияконструкциипри случайном кинематическом возбуждении……………………..………...684.2.

Результаты моделирования напряженного состояния………..…………75Глава 5. Оценка долговечности конструкции авиационного изделия прислучайном нагружении………………………………………….……………….. 815.1. Моделирование реализаций случайных процессов напряжений …….….. 815.2. Схематизация реализаций процессов напряжений и построение кривыхповторяемости циклов напряжений…………………………………………...865.3. Построение приведенной кривой усталости для элементов конструкцииавиационного изделия………………………………………………….………885.4. Оценка долговечности конструкции на основе корректированнойлинейной гипотезы накопления усталостных повреждений…………………. 89Заключение.……..…………………………………………………..…………… 92Список литературы……………..…………………………………..…………… 944ВведениеОдной из актуальных проблем современного машиностроения являетсяпроблема обеспечения требуемой долговечности конструкции машин приувеличении мощностей, скоростей, грузоподъѐмности и при одновременномснижении металлоемкости изделий.

Эта проблема является особенно сложнойпри разработке различных летательных аппаратов (ЛА), в том числе,авиационной техники. Увеличение скоростей полѐта, энерговооруженности,маневренностиновыхсамолетовприводиткповышениюуровнянапряженности как в элементах конструкции самого авиационного носителя,так и размещаемых на нем авиационных изделий.Приэксплуатацииавиационноеизделиеподвергаетсяразличнымвнешним воздействиям.

В общем случае к данным воздействиям относятсяклиматические, статические, вибрационные, виброударные, акустическиенагрузки, кинетический нагрев, многократные удары, линейные ускорения. Втаблице В.1 приведены внешние воздействия на конструкцию авиационногоизделия на различных этапах эксплуатации.Наиболее интенсивный уровень воздействий на изделие наблюдается наэтапе его совместной эксплуатации с самолѐтом-носителем. Возникающие вовремя совместного полета динамические нагрузки могут вызвать относительновысокий уровень напряжений в зонах нерегулярностей конструкции и могутдать существенный вклад в накопление усталостных повреждений.

Это можетвызывать разрушение элементов конструкции изделия в течение относительномалой части требуемого ресурса. При этом опасность представляет не толькоразрушение изделия, но и возможность повреждения носителя. Поэтому приразработке комплекса носитель-изделие особое внимание уделяется оценкепараметров долговечности и безопасности эксплуатации авиационных изделий,транспортируемых совместно с самолѐтом-носителем.5Таблица В.1Этапы эксплуатации изделияВиды внешнихвоздействийХранениеКлиматические+НебоевоеБоевоетранспортирование транспортирование++Кинетический+++++++++++нагревСтатические+ПовторностатическиеВибрационныеМногократныеударыПрименениеВиброударные+Линейные+ускоренияАкустическиеВибродинамическое+состояниеизделийавиационнойтехники,транспортируемых на авиационных носителях, является одним из основныхфакторов, влияющих на надежность и безопасность эксплуатации как самихизделий, так и комплекса носитель – изделие.Уровни вибрационных нагрузок, действующих на изделия авиационнойтехники в полете, зависят от многих факторов: режима полета, особенностейконструкции самолета и узлов подвески, условий размещения изделий и т.д.Важным этапом процесса создания новых авиационных изделий иобеспечения нормальной эксплуатации существующих является определениехарактеристик динамического напряженно-деформированного состояния (НДС)6конструкции изделия и последующая оценка и подтверждение характеристикдолговечности.Определение характеристик динамического состояния конструкцииизделий совместно с носителем на полетных режимах имеет практическоезначение,таккакуровниколебанийконструкцииизделияявляютсяопределяющими при оценке и подтверждении характеристик долговечности.Полетные нагрузки могут вызвать относительно высокий уровень напряженийв зонах нерегулярностей конструкции и могут дать существенный вклад внакопление усталостных повреждений.

В некоторых случаях они являютсяопределяющими при оценке прочности и надежности конструкции носителя иизделия. Подобная задача возникает также при оценке возможноститранспортирования изделия на других носителях или при более жесткихрежимах полета.Эти характеристики могут быть получены экспериментально, путѐмпроведения испытаний образца изделия, или расчѐтным путѐм.

Первый вариантсвязан с большими временными и материальными затратами. Кроме того он непозволяет оценить характеристики НДС и ресурс изделия на стадиипроектирования. Второй способ даѐт возможность оценить параметрыдинамического НДС и долговечность изделия уже на этапе проектирования и,соответственно,являетсягораздоменеезатратным.Эффективностьиспользования расчетных методов для исследования реальных конструкций вомногом определяется качеством расчетных методик и моделей, степенью ихадекватности реальным конструкциям и условиям эксплуатации, а такжевозможностью получения достоверных исходных данных.Таким образом, разработка методик расчетной оценки характеристикнапряженно-деформированногосостояния,прочностиидолговечностиавиационных изделий при действии эксплуатационных нагрузок на этапепроектирования является актуальной и значимой задачей.Цельюдиссертационнойработыявляетсяразработкаметодики,комплекса расчетных моделей и проведение параметрических исследований7динамического деформирования, прочности и долговечности конструкцийавиационных изделий при случайном вибрационном нагружении, котороесоответствует этапу совместного полета с носителем.

Особенностью методикиявляется учет локального напряженного состояния в зонах соединений ирезкого изменения сечений, и учет случайного характера вибрационногонагружения. Для оценки и подтверждения адекватности расчетных моделей идостоверности полученных значений характеристик динамического состоянияиспользуются данные лабораторных испытаний.Для достижения поставленной цели проведена разработка общейметодики моделирования напряженного состояния и оценки долговечностиконструкций авиационных изделий при случайном вибрационном нагружении,учитывающей наличие зон концентрации напряжений на основе методовконечного элемента (МКЭ), статистического моделирования и теориисуммирования усталостных повреждений.Разработаннаяметодикареализованадляоценкидолговечностиконструкции реального авиационного изделия при различных условияхслучайного нагружения.

Для этого были решены следующие задачи:– разработаны конечно-элементные (КЭ) модели конструкции, иполученораспределениевероятностныххарактеристикдинамическогосостояния в конструкции;– проведено сопоставление расчетных вероятностных характеристикдинамического состояния с данными лабораторно-стендовых испытаний, иподтверждена адекватность полученных характеристик;– проведено исследование НДС конструкции изделия с учетом зоннерегулярностей напряжений;–выполненонапряженийимоделированиеформированиерегулярных циклов напряжений;реализацийраспределенийслучайныхамплитудпроцессовприведенных8– определены характеристики долговечности конструкции на основекорректированной линейной теории накопления усталостных повреждений дляразличных условий случайного нагружения.Длярешенияпоставленныхвдиссертационнойработезадачиспользовались методы механики твердого деформируемого тела, конечногоэлемента, теории усталостного разрушения, теории надежности, теориивероятностей и теории случайных функций.Объектомисследованиявдиссертационнойработеявляетсяконструкция авиационного изделия.

Предметом исследования являютсяхарактеристики НДС объекта в зонах нерегулярности напряжений и ресурсныехарактеристики силовой конструкций авиационного изделия при совместнойэксплуатации с самолѐтом-носителем.Диссертационная работа состоит из 5 глав.В первой главе представлен обзор литературы по поставленным вдиссертационной работе задачам; представлены основные положения методоврешения этих задач.Вовторойглавепредставленаобщаяметодикамоделированиянапряженного состояния и оценки долговечности конструкций авиационныхизделий при случайном вибрационном нагружении, учитывающая наличие зонконцентрации напряжений на основе методов конечного элемента (МКЭ),статистическогомоделированияитеориисуммированияусталостныхповреждений.