Диссертация (1025049), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Характеристики этихматериалов приведены в Таблице 4.1. Толщина однонаправленного монослоя дляленты принималась равной 0,1 мм, двойного спирального слоя – 0,2 мм; для тканисоответственно 0,2 и 0,4 мм.Заполнитель трехслойной оболочки – соты из алюминиевого сплава схарактеристиками: модуль сдвига в плоскости, проходящей через ось, 180 МПа,модуль сдвига в плоскости. перпендикулярной оси, 100 МПа, модуль упругости врадиальном направлении 860 МПа, плотность 60 кг/м3. Для трехслойнойоболочки учитывается также масса клеевых слоев между обшивками и сотами,равная0,36кг/м2.Коэффициентустойчивостиприосевомсжатиицилиндрических оболочек [4] принимался равным 0,7 (для местной устойчивостиобшивок трехслойной оболочки [69] – 0,3).Как для трехслойных, так и для многостеночных оболочек рассматривалисьструктуры обшивок [0//0] (для углепластика на основе ленты) и [0/] (дляуглепластика на основе ткани).

Отсчет углов  – от образующей цилиндра.Стенки многостеночной оболочки образованы перекрестно армированнымислоями, армированными под тем же углом , которым характеризуютсяобшивки – в этом случае упрощается технология изготовления оболочки.Оптимизация проводилась по критерию минимума массы оболочки приусловии обеспечения заданной несущей способности. Определение оптимальныхпараметров оболочек проводилось методом глобального перебора по сетке соследующими параметрами.Для трехслойных оболочек: толщина заполнителя h (от 10 до 30 мм с шагом 1 мм); число продольных монослоев в обшивке, определяющее толщину продольного слоя 0 (от 0 до 5 с шагом 1);45Таблица 4.1.Характеристики углепластиков, принимаемые для расчетовСвойстваМодуль упругости в направлении армирования (для ткани - основы), ГПа24565Модуль упругости в поперечном направлении (для ткани - утка), ГПа6,965Модуль сдвига в плоскости слоя, ГПа3,98Коэффициент Пуассона0,320,07Предел прочности при растяжении в направлении армирования (для ткани - основы),МПа2160600Предел прочности при сжатии в направлении армирования (для ткани - основы), МПа980500Предел прочности при растяжении в поперечном направлении (для ткани - утка), МПа45600Предел прочности при сжатии в поперечном направлении (для ткани - утка), МПа168500Предел прочности при сдвиге в плоскости слоя, МПа598015001500Плотность, кг/м3 Углепластик Углепластикна основена основелентыткани46 число двойных спиральных слоев в обшивке, определяющее толщину спирального слоя  (от 1 до 5 с шагом 1); угол армирования спиральных слоев в обшивке  (от 0 до 90 с шагом 2).Для многостеночных оболочек: высота стенки h (от 5 до 30 мм с шагом 1 мм); отношение ширины клетки к высоте стенки t/h (от 0,8 до 2,6 с шагом 0,1); число продольных монослоев в обшивке, определяющее толщину продольного слоя 0 (от 0 до 5 с шагом 1); число двойных спиральных слоев в обшивке, определяющее толщину спирального слоя  (от 1 до 4 с шагом 1); число двойных спиральных слоев в стенке, определяющее толщину спирального слоя с (от 1 до 4 с шагом 1); угол армирования спиральных слоев в обшивке и стенке  (от 0 до 90 сшагом 2).Результаты оптимизационных расчетов сведены в Таблицу 4.2.

В ней символами Pуст.м(1) и Pуст.м(2) обозначены запасы местной устойчивости соответственно: для трехслойной оболочки – по синфазным и антифазным формам потериустойчивости обшивок; для многостеночной оболочки – по формам местной потери устойчивостиэлементов обшивок и стенок.Таблица 4.2 свидетельствует, что при использовании обоих типов углепластиков оптимальная многостеночная структура оказывается легче, чем оптимальная трехслойная.Представляют интерес результаты исследования зависимости массы оптимальной конструкции многостеночной оболочки от заданной формы клетки, показанные на Рис.

4.1 [70]. При построении этих графиков задавалось соотношениеt/h и проводилась оптимизация прочих параметров. Видно, что зависимости имеют сложных характер; в них имеются разрывы, возникающие при появлении илиисчезновении новых монослоев в обшивке и стенке. 47Таблица 4.2.Результаты оптимизации несущей оболочки среднего переходника разгонного блока «ДМ-SL»Многостеночная оболочкаПроектные параметры и свойства оптимальнойконструкции Трехслойная оболочкаУглепластикна основелентыУглепластикна основетканиУглепластик Углепластикна основена основелентытканиТолщина продольного слоя в обшивке 0, мм0,100,10Толщина спирального слоя в обшивке , мм0,40,80,20,8Угол армирования спиральных слоев в обшивке , град.50265422Толщина спирального слоя в стенке с, мм0,40,8––Высота стенки или толщина заполнителя h, мм10121411Ширина клетки t, мм1525,2––Масса оболочки G, кг102,3138,2111,6159,0Запас прочности обшивок Pпр1,272,381,172,17Запас прочности стенок Pпр(с)2,952,38––Запас общей устойчивости Pуст1,011,021,031,00Запас местной устойчивости Pуст.м(1)1,281,071,611,48Запас местной устойчивости Pуст.м(2)18,24,731,312,0848а)б)Рис.

4.1. Зависимость массы оптимальной многостеночной оболочки из углепластика на основе однонаправленной ленты (а) и углепластика на основе ткани (б)от отношения ширины клетки к высоте стенкиб)а)Рис. 4.2. Границы предельных возможностей в координатах «минимум массы –максимум несущей способности» для трехслойных (1) и многостеночных (2)оболочек ( а) – из высокомодульного углепластика на основе однонаправленнойленты; б) – из углепластика на основе ткани 49 Оптимальное соотношение высоты стенки и ширины клетки зависит отмногих факторов, включая степень анизотропии исходного материала.4.2.

Сравнительный анализ предельных возможностей несущих углепластиковых оболочек при минимизации массы и максимизации несущей способностиДля проведения данного расчетного исследования была выбрана оболочкасредних габаритов (радиус 1 м, длина 1 м), соответствующая отсеку ракеты илиразгонного блока среднего класса. Для этой оболочки проводилось исследованиепредельных возможностей [69] в координатах «минимум массы – максимум несущей способности».

Несущая способность определялась при нагружении осевойсжимающей силой N (на графиках показаны расчетные значения разрушающихнагрузок).На Рис. 4.2 показаны границы предельных возможностей для многостеночных и трехслойных оболочек из различных углепластиков [69]. Эти кривые построены при максимизации несущей способности при ограничении на массу длятрехслойной и многостеночной оболочек; такой подход позволяет более полновыявить предельные возможности композитных конструкций, чем минимизациямассы при ограничении на несущую способность [69], поскольку масса, в отличиеот несущей способности, не зависит от углов армирования.Для лучшего понимания вида представленных кривых приложены таблицы4.3 ÷ 4.6 [70], в которых приводятся параметры оптимальных трехслойных и многостеночных оболочек.

В таблицах приведены также запасы по предельнымнагрузкам при действии приведенной во втором столбце силы N: Pпр – запаспрочности обшивок трехслойной оболочки, Pпр(о) – запас прочности обшивок многостеночной оболочки, Pпр(с) – запас прочности стенок многостеночной оболочки,Pуст – запас общей устойчивости трехслойной или многостеночной оболочки,Pуст.м(сф) – запас местной устойчивости трехслойной оболочки по синфазным формам, Pуст.м(аф) – запас местной устойчивости трехслойной оболочки по антифазным формам, Pуст.м(о) – запас местной устойчивости обшивок многостеночнойоболочки, Pуст.м(с) – запас местной устойчивости стенок многостеночной оболочки.50 Таблица 4.3.Результаты исследования предельных возможностей для трехслойной оболочки средних габаритов из высокомодульногоуглепластика на основе однонаправленной лентыПредельнаямасса G, кг10,1811,1211,3111,5011,6912,2513,1914,1414,8915,4517,0117,1518,0919,2219,7923,2624,1325,2625,82N, МН0,7670,9841,141,3081,4741,9262,5662,6542,7922,8212,8212,9103,7374,6785,0155,0155,6516,5006,728Параметры оптимальной конструкцииh, мм0, мм, мм , град1100,21413,500,21440,10,2624,50,10,26050,10,2586,50,10,25690,10,25411,50,10,24413,50,10,238150,10,236150,10,2369,50,20,266120,20,266150,20,26616,50,20,24216,50,20,242180,30,272210,30,27022,50,30,230Запасы по предельным нагрузкамPпрPустPуст.м(сф) Pуст.м(аф)2,851,002,191,492,221,001,611,052,231,011,004,671,951,001,003,841,731,011,003,241,331,001,032,181,001,011,091,391,001,001,271,201,001,011,271,061,011,011,271,001,011,011,271,001,721,021,002,281,341,011,001,581,071,011,001,131,041,041,001,011,041,041,001,011,321,011,001,331,151,051,001,071,231,011,011,0051 Таблица 4.4.Результаты исследования предельных возможностей для многостеночной оболочки средних габаритовиз высокомодульного углепластика на основе однонаправленной лентыПредельнаямасса G, кгN, МН9,90Параметры оптимальной конструкцииЗапасы по предельным нагрузкамh, ммt, мм0, мм, ммс, ммPпр(о)Pпр(с)PустPуст.м(о)Pуст.м(с)1,568580,10,20,4521,694,181,001,2810210,972,08677,70,10,20,4521,283,181,001,0539,611,312,111880,10,20,4621,244,451,011,0029,612,682,16977,70,10,20,6541,243,301,001,0420,413,822,999913,50,10,40,4421,001,831,031,0811,314,743,14810110,10,40,4381,041,721,001,496,6515,083,23011110,10,40,4381,021,691,001,465,3916,023,3391113,20,10,40,6381,011,661,061,0012,016,453,4811112,10,10,40,6361,021,621,001,129,9116,963,8698160,20,40,4561,333,801,001,0433,517,984,5641114,30,20,40,4561,143,241,001,1115,118,855,253913,50,20,40,6521,002,491,001,0742,219,795,5141113,20,20,40,6441,001,941,031,0119,620,735,65912120,20,40,6421,001,841,041,1714,321,995,858916,20,30,40,6521,323,271,001,0255,422,896,7801115,40,30,40,6561,133,231,001,0033,823,997,6171314,30,30,40,6541,022,701,001,0321,324,507,78214140,30,40,6521,002,481,011,0417,452 Таблица 4.5.Результаты исследования предельных возможностейдля трехслойной оболочки средних габаритов из углепластика на основе тканиПредельнаямасса G, кгN, МН11,12Параметры оптимальной конструкцииЗапасы по предельным нагрузкамh, мм0, мм, ммPпрPустPуст.м(сф)Pуст.м(аф)0,6763,500,4223,521,001,404,2212,251,1916,500,4221,991,001,611,7613,191,624900,4221,461,001,331,1013,571,7101000,4201,401,021,291,0019,761,7101000,4201,401,021,291,0019,981,94570,20,4122,501,011,003,2020,172,1107,50,20,4142,281,021,002,8421,112,934100,20,4181,601,011,001,7722,243,882130,20,4221,171,011,001,1722,994,232150,20,4181,111,011,021,0030,264,232150,20,4181,111,011,021,0031,104,93816,50,40,401,531,201,001,5132,235,84719,50,40,401,291,191,001,1833,176,397220,40,401,181,241,001,0035,266,397220,40,401,181,241,001,0053 Таблица 4.6.Результаты исследования предельных возможностейдля многостеночной оболочки средних габаритов из углепластика на основе тканиПредельнаямасса G, кгN, МН9,896Параметры оптимальной конструкцииЗапасы по предельным нагрузкамh, ммt, мм0, мм, ммс, ммPпр(о)Pпр(с)PустPуст.м(о)Pуст.м(с)1,253812,800,40,4301,651,651,001,012,5910,971,427101100,40,4341,231,231,001,391,6811,311,467101000,40,4321,411,411,001,651,6512,931,610912,600,40,8262,242,241,001,017,9113,821,829101200,40,8242,372,371,001,025,8714,391,9161112,100,40,8262,102,101,001,024,9515,082,082121200,40,8262,022,021,001,004,0116,022,25813,51200,40,8241,711,711,001,013,1816,962,443151200,40,8301,451,451,001,012,5917,982,9888,522,100,80,8281,451,451,001,016,8218,853,485102000,80,8261,511,511,001,084,3219,793,9391219,200,80,8281,211,211,001,122,8620,884,3211519,500,80,8301,011,011,001,071,8021,934,5841819,800,80,8301,001,001,001,021,2422,624,756191900,80,8281,151,151,001,081,0823,785,1201519,500,81,2281,121,121,021,003,8024,505,4421619,200,81,2281,091,091,011,003,2454 Таблица 4.6.

(продолжение)Результаты исследования предельных возможностейдля многостеночной оболочки средних габаритов из углепластика на основе тканиПредельнаямасса G, кгN, МН25,36Параметры оптимальной конструкцииЗапасы по предельным нагрузкам(о)Pпр(с)PустPуст.м(о)Pуст.м(с)h, ммt, мм0, мм, ммс, мм5,7861718,700,81,2261,221,221,021,002,7226,396,177181800,81,2261,191,191,001,052,3728,907,2241425,201,21,2261,121,121,001,133,6629,697,7101625,601,21,2261,071,071,001,062,7030,708,1821825,201,21,2261,051,051,001,062,0831,328,4331924,701,21,2261,041,041,001,091,8532,909,1752325,301,21,2261,001,001,001,011,2233,939,461242401,21,2261,011,011,011,121,1234,229,7961924,701,21,6241,091,091,001,003,0135,1910,200202401,21,6241,081,081,001,052,68Pпр55 Эти величины характеризуют механизмы разрушения каждой из оптимальных конструкций.Основное объяснение сложного характера приведенных кривых [70] заключается в дискретном характере увеличения толщины обшивок и стенок, котороевозможно только путем прибавления целого числа слоев.Из четырех возможных механизмов исчерпания несущей способности трехслойной оболочки общая устойчивость и местная устойчивость по синфазнымформа растут с увеличением толщины заполнителя, местная устойчивость по антифазным формам – падает, а прочность не зависит от толщины заполнителя.

Характеристики

Список файлов диссертации