Диссертация (1025947), страница 2
Текст из файла (страница 2)
На стоимость и физико-механическиехарактеристикиПКМсильноевлияниеоказываеттипармирующего11наполнителя. На первый взгляд для конструкции крыла МКА ТК наилучшимобразом подходят ПКМ на основе углеродных волокон (УВ), позволяющиедостичь максимума прочности и жесткости, а также минимального весаконструкции, по сравнению с ПКМ на основе стеклянных волокон (СВ). Однако,если принять во внимание экономическую сторону вопроса, то оказывается, чтоСВ почти в 20 раз дешевле УВ, поэтому для достижения экономическойэффективности конструкции крыла МКА ТК при сохранении необходимогоуровня надежности, перспективно использование гибридных ПКМ (ГПКМ),сочетающих в своем составе разнородные армирующие наполнители.Количествовозможныхкомбинаций слоистогопакета даже принебольшом числе проектных переменных велико.
Например, для трех монослоеви четырех возможных углов укладки (0, +45 и 90 град.) с учетом возможностиразличного порядка расположения монослоев, число всех возможных вариантовсоставит 12! (или более 470 млн. комбинаций). Поэтому при проектированиислоистых ГПКМ применение метода перебора или интуитивно-эмпирическихприемов нецелесообразно, так как даже самый простой расчет потребуетзначительных временных и вычислительных ресурсов. Для нахожденияоптимальной по массе, стоимости и жесткости конструкции крыла из ГПКМнеобходимо автоматизировать процедуру его оптимизации, основанную насовременных численных методах механики и теплофизики композитных сред игенетическихалгоритмах(ГА).Такимобразом,разработкаметодикиоптимального проектирования крыла МКА ТК из ГПКМ и ее программнаяреализация, включающая определение состава, порядка расположения итолщины монослоев, углов их укладки и толщины сотового заполнителяявляется актуальной научной задачей.Степень разработанности темы исследования.Интенсификация работ в области суборбитальных МКА относится ксередине 1990-х годов.
В настоящее время известно более 30 проектовсуборбитальных МКА ТК, среди которых преобладают аппараты крылатых12схем. Для выбора рациональных конструктивно-технологических решенийбольшоезначениеимеютвопросымоделированиятемпературногоинапряженно-деформированного состояния композитных конструкций, вопросыоптимизации и экспериментального определения характеристик ПКМ.Исследованию температурного состояния многослойных пластин иоболочек из непрозрачных материалов посвящено большое число работ.Значительный вклад в разработку аналитических методов решения задачтеплопроводности внесли Г.А.
Гринберг, Э.М. Карташов, Н.С. Кошляков,В.А. Кудинов, А.В. Лыков, Е.Н. Туголуков, П.В. Цой и др.Большой вклад в развитие численных методов применительно к решениюзадач теплопроводности внесли В.С. Зарубин, Г.В. Кузнецов, А.А. Самарский,А.Н. Тихонов, В.Ф. Формалев, В.С. Швыдский, Д. Ши и др.Значительный вклад в разработку аналитических методов решения задачтеплопроводности внесли Г.А. Гринберг, Э.М.
Карташов, Н.С. Кошляков,В.А. Кудинов, А.В. Лыков, Е.Н. Туголуков, П.В. Цой и др.Значимые работы в области определения НДС «холодных» конструкций изПКМ принадлежат Н.А. Алфутову, С.А. Амбарцумяну, Н.А. Андрееву иЮ.В. Немировскому,В.В. Болотину,В.В. Васильеву,В.Э. Видельману,Р.Ф.
Гибсону, Р.М. Джонсу, Р. Кристенсену, Л.П. Коллару, С.Г. Лехницкому,Б.Е. Победре, Т. Фудзи и др.Задачи оптимизации конструкций из ПКМ получили существенноеразвитие благодаря работам Н.Б. Баничука, В.В. Васильева, А.А. Дудченко,П.А. Зиновьева,В.А. Комарова,В.Л.
Нарусберга,Ю.В. Немировского,А.А. Смердова, Ю.С. Уржумцева, З. Гурдала, Р. Хафтки.Теплофизикакомпозиционныхматериаловразвиваетсяблагодарявнедрению новых инструментов, таких как теория и методы решения обратныхзадач, новых приборов с лазерным нагревом образцов и бесконтактнымизмерением температуры. Существенное значение для реализации новыхметодов имели работы А.А. Артюхина, Ю.М.
Мацевитого С.В. Резника,13В.М. Юдина, Дж.В. Бека и др. Вместе с тем до настоящего времени не созданыметоды и средства, прямо апробированные в проектных исследованияхконструкций МКА ТК из ГПКМ.Цель диссертационной работы – оптимизация весовых, стоимостных ижесткостных показателей конструкции крыла МКА ТК за счет рациональногоприменения гибридных полимерных композиционных материалов.Основные задачи диссертационной работы:1. Определение силовых и тепловых нагрузок, действующих на крылоМКА ТК во время полета, и использование полученных данных длямоделирования температурного и напряженно-деформированного состояниякрыла.2. Разработка комплексной методики оптимального проектирования крылаиз ГПКМ для суборбитального МКА ТК.3.
Программная реализация ГА оптимизации обшивки крыла из ГПКМ иопределение множества оптимальных структур обшивки.4. Расчетно-экспериментальное определение комплекса теплофизическихи оптических характеристик ГПКМ, потенциально пригодных для изготовленияобшивки крыла МКА ТК.5. Обоснование и выбор материалов для изготовления конструктивныхэлементов крыла МКА ТК, выяснение необходимости применения специальнойтеплозащиты.Тема диссертации отвечала планам работ по реализации задачФедеральной космической программы России на 2006-2015 гг. в рамках НИРмежду ФГУП ЦНИИмаш и МГТУ им. Н.Э.
Баумана по теме «Простор-КТ»,договор № 0901-1311/224-2009 от 11.06.2009 и № 0901-1311/267-2010 от30.06.2010 и по теме «Орбита-МГТУ», договор № (27-101-2011)-1001/186-2011от 18.08.2011. Отдельные результаты получены при финансовой поддержке попроекту № 2.1.2/5865 по заданию Минобрнауки РФ в рамках АВЦП «Развитиенаучного потенциала высшей школы», а также в рамках ФЦП «Исследования и14разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологическогокомплекса России на 2014-2020 годы» по приоритетному направлению«Транспортные и космические системы» по соглашению о предоставлениисубсидии № 14.577.21.0099 Министерством образования и науки РоссийскойФедерации.
Уникальный идентификатор прикладных научных исследований(проекта) RFMEFI57714X0008.Объект исследований – крылатый суборбитальный МКА ТК.Предмет исследований – модели и алгоритмы проектирования крылаМКА ТК из ГПКМ.Методология исследования представляла совокупность численныхметодов анализа температурного и напряженно-деформированного состояниякрыла МКА из ГПКМ и экспериментальных методов определения механических,теплофизических и оптических характеристик этих композиционных материалов(КМ).Научная новизна диссертации определяется:- Разработанной методикой оптимального(по массе, стоимости ижесткости) проектирования крыла из ГПКМ для суборбитального МКА ТК.- Решением задачи оптимального проектирования обшивки крыла из ГПКМс использованием ГА.- Впервыеэкспериментальнокомплексноопределеннымитеплофизическими и оптическими характеристиками ГПКМ.Практическая значимость работы определяется:- Разработанными конечно-элементными моделями крыла МКА ТК,универсальнопригоднымидляпроектныхисследованийаналогичныхконструкции без учета уноса массы.- Проведенным сравнительным анализом вариантов структуры обшивкикрыла МКА ТК, и определением областей рационального применения ГПКМ.- Полученными экспериментальными данными по теплофизическим иоптическим характеристикам пяти вариантов ГПКМ вида «УП-СП».15Основные положения диссертации, выносимые на защиту:1.
МетодикаоптимальногопроектированиякрылаизГПКМсуборбитального МКА ТК, основанная на ГА поиска оптимальных решений спозиций массы, стоимости и жесткости.2. Экспериментальные данные по теплофизическим и оптическимхарактеристикам ГПКМ.3. Результаты сравнительного анализа вариантов структуры обшивкикрыла МКА ТК из ГПКМ.Рекомендации по внедрению:Результаты данной работы могут быть рекомендованы для использованияпри выборе оптимальной структуры ГПКМ для несущих конструкцийлетательных аппаратов, а также в учебном процессе кафедры СМ13 «Ракетнокосмические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э.
Баумана.Достоверностьрезультатовподтверждаетсяиспользованиемматематических моделей, основанных на фундаментальных законах механики итеплофизики, хорошим согласием результатов теоретических исследований срезультатами других научных работ, полученных с помощью стандартныхпрограммных продуктов, а также высоким уровнем метрологическогообеспечения экспериментальных исследований.Личный вклад автора заключается в анализе и обобщении информацииоразличныхМКА,параметрахихконструктивно-технологическогосовершенства, проведении расчётов нестационарного прогрева конструкциикрыла МКА ТК, разработке методики и создании программно-алгоритмическогообеспечения оптимального проектирования обшивки крыла из ГПКМ, а также вопределении теплофизических и оптических характеристик ГПКМ.Апробация основных результатов диссертации проведена на: 1-st Int.Conf.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
