Автореферат (1025048), страница 2
Текст из файла (страница 2)
На основе обзоралитературы сформулирована общая постановка задачи оптимальногопроектирования композитных многостеночных оболочек.Отмечено, что многостеночные оболочки из углепластика сегодняисследованы слабо. Имеющиеся публикации в основном посвященытехнологическим приемам изготовления таких конструкций или методике ихиспытаний, тогда как подробный анализ свойств и особенностей применениямногостеночных оболочек либо не публикует, либо отсутствует.Отмечена важность исследования проблем оптимального проектированиятаких конструкций, в том числе, разработки методики проектных расчетов иэкспериментальных исследований при воздействии термосиловых нагрузках.Кроме того, еще одно направление исследований должно быть связано сопределением областей оптимального применения многостеночных оболочек всравнении с известными конструктивными схемами, прежде всего, трехслойной.Вторая глава посвящена задаче оптимального проектированиямногостеночных несущих оболочек по критериям минимизации массыконструкции и максимизации несущей способности при заданныхдействующих нагрузках.
В главе основное внимание уделено описаниюметодики проектных расчетов многостеночных оболочек с учетом различныхмеханизмов исчерпания прочности и потери общей и местной устойчивости.Объект проектирования – цилиндрическая многостеночная оболочка,изображена на Рис. 1, имеет одинаковые симметрично расположенныеобшивки. Оболочка нагружена осевой сжимающей/растягивающей силой N , ккоторой может также быть добавлено внешнее/внутреннее давление p .Многослойный пакет обшивок и стенок включает в себя набор n различныхмонослоев, каждый из которых отличается от остальных либо свойствамиматериала, либо направлением их ориентации.
С целью повышения жесткостии устойчивости в конструкцию могут быть добавлены угловые вставки,представляющие собой однонаправленные стержни.4б)в)а)Рис. 1. Многостеночная композитная оболочка (а), ее панель (б) иее основные элементы (в): 1 – обшивка, 2 – стенка, 3 – вставка.Постановки задачи оптимального проектирования многостеночныхнесущих композитных оболочек заключается в исследовании предельныхвозможностей по обеспечению минимальной массы и максимальной несущейспособности при заданных действующих нагрузках.
Последний критерийпонимается как максимизация наименьшей из предельных нагрузок,определяющих прочностное разрушение элементов композитной конструкциии различные виды общей и местной потери устойчивости. max Pпред X max min PпредiX DXiгде: X вектор варьируемых параметров исследуемого объекта, Pпред предельная величина параметра нагрузки при пропорциональном нагружении(например, осевой силой и боковым давлением), i – номер механизмаисчерпания несущей способности. Если нагрузки заданы в нескольких(i ) включаются все возможные критериирасчетных случаях, в вектор Pпредисчерпания несущей способности во всех расчетных случаях.Многостеночные конструкции как объект проектирования обладаютбольшими возможностями. К числу варьируемых параметров при ихоптимизации могут относиться: размеры элементарной ячейки, структурныепараметры обшивок и стенок, наличие/отсутствие вставок в составеконструкции и их параметры.В главе описаны разработанные алгоритмы расчета различных механизмовисчерпания несущей способности многостеночных оболочек.
Обсуждаютсяособенности расчета на прочность элементов оболочек по перовомуразрушению, расчетные алгоритмы общей устойчивости двумя способами – погипотезам Кирхгофа-Лява и ломаной линии с учетом сдвига, а также алгоритмырасчета местной устойчивости элементов оболочки как многослойныхортотропных удлиненных пластин, сжатых вдоль длинных сторон.5Приводятся расчетные формулы для проектных оценок несущейспособности многостеночных оболочек. На основе данных формул разработанырасчетные программы, с помощью которых проведен анализ несущейспособности и оптимизация таких оболочек.В третьей главе проведен анализ влияния проектных параметровнесущую способность оболочек на примере несущей оболочки корпусаразгонного блока «ДМ-SL», разработанного РКК «Энергия» для участия вмеждународном проекте «Морской старт». Оболочка представляет собойцилиндрическую оболочку диаметром 3,7 м и длиной 4,0 м, нагруженнуюосевой сжимающей силой 4,05 МН.
Рассматриваются два материала обшивок истенок – низкомодульный углепластик ЛУ-П/ЭНФБ, до сих пор применяемый вотечественныхракетно-космическихконструкциях,исовременныйвысокомодульный углепластик М60J/Epoxy.Сравнительный анализ двух используемых методов расчета устойчивостимногостеночных оболочек иллюстрирует Рис. 2. На нем изображенызависимости общей устойчивости от размера элементарной ячейки. По осиабсцисс отложены значения относительной высоты стенки h c , а по осиординат – значения запаса общей устойчивости.1, 2 – углепластикЛУ-П/ЭНФБ;3, 4 – углепластикM60J/EpoxyРис.
2. Результаты расчета устойчивости многостеночной оболочкипо гипотезам Кирхгофа-Лява (1, 3) и ломаной линии (2, 4)Расчеты показывают, что при относительной высоте стенки более 20использование гипотез Кирхгофа-Лява приводит к большим погрешностям, иследует использовать гипотезы ломаной линии. Это можно объяснить тем, чтопри больших значениях высоты стенки сдвиговые деформации в плоскостистенки оказывают значительное влияние. Еще один вывод из проведенногоисследования заключается в том, что увеличение высоты стенки приводит кповышению общей устойчивости лишь до известного предела, после которого6устойчивость практически остается неизменной.
Этот максимальный уровеньзапаса устойчивости сильно зависит от модуля упругости используемогоматериала, причем высокомодульные материалы способны обеспечитьпримерно в 2,5 раза большую устойчивость, чем низкомодульные.На Рис. 3 приводятся результаты исследования зависимости несущейспособности от характеристик армирования обшивок и стенок. По оси абсциссотложены значения угла армирования при одинаковой структуре обшивок истенок [±φo/0o/±φo].
Область несущей способности выделена затенением.Видно, что при изменении структуры армирования несущая способность можетлимитироваться любым из рассмотренных механизмов. При этом оптимальныеуглы армирования перекрестно армированных слоев также могут изменяться вшироких пределах.а)б)Рис. 3. Зависимость несущей способности многостеночной оболочкииз высокомодульного (а) и низкомодульного (б) углепластика от структурыармирования обшивок и стенок.1 – запас прочности вставки, 2 – запас прочности стенки, 3 – запас прочностиобшивок, 4 и 5 – запас местной устойчивости обшивки и стенки, 6 – запасобщей устойчивостиСледует отметить, что использование угловых вставок способно повыситьжесткость и устойчивость конструкции, однако может привести к снижению еепрочности.
Это связано с тем, что жесткие вставки берут на себя нагрузку иразрушаются первыми.Рис. 4 показывает результаты анализа несущей способностимногостеночных оболочек с различными обшивками и стенками. При этом длясохранения неизменной массы конструкции полагалось, что толщина стенкиизменяется совместно с величиной t так, что отношение c h t const , h 25 мм.На этом рисунке структура обшивок и стенок из углепластиков одинакова,различаются только их толщины. Кривые показывают различные механизмыисчерпания несущей способности многостеночной оболочки. Как и ранее,область несущей способности выделена затенением.7а)б)Рис.
4. Несущая способность многостеночной оболочки при различныхпараметрах обшивок и стенока) – из углепластика ЛУ-П/ЭНФБ, б) – из углепластика M60J/Epoxy1 – запас прочности обшивки, 2 – запас прочности стенки, 3 – запас прочностивставки, 4 – запас местной устойчивости обшивки, 5 – запас местнойустойчивости стенки, 6 – запас общей устойчивостиа)1÷3 – из углепластика ЛУ-П/ЭНФБ4÷7 – из углепластика M60J/Epoxy.1 и 4 – [±45 o], 2 и 5 – [±80o],3 и 6 – [90 o/±45o/90o], 7 – [±30 o]б)1÷6 – из углепластика M60J/Epoxy.1 – [±45o], 2 – [±80o], 3 – [±45o /0o/±45o],4 – [±80o /0o/±80o], 5 – [90o /0o/±45o],6 – [90o /±80o/90o]Рис. 5. Запас несущей способности при различных структурах армированиястенки при осевом сжатии (а) и при совместном нагружении осевой силы ивнешнего давления (б)Кривые, показанные на Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
