Диссертация (1025947), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Большой вклад в развитие численныхметодовприменительнокрешениюзадачтеплопроводностивнеслиВ.С. Зарубин, Г.В. Кузнецов, А.А. Самарский, А.Н. Тихонов, В.Ф. Формалев,В.С. Швыдский, Д. Ши [152-160] и др.Полимерные связующие и органоволокнистые и стекловолокнистыенаполнители обладают свойством частичной прозрачности для тепловогоизлучения.
Тепловой расчет конструкций из частично прозрачных материаловдовольно сложен, так как в них могут происходить процессы поглощения ирассеивания энергии [154-165]. Многослойные среды могут иметь одинаковый[166-168] или различный показатель преломления с изотропным [162, 166-168] ианизотропным рассеянием. В ряде работ межслоевой оптический контактпредполагался идеальным, а граница раздела зеркально [169-171], диффузно[165, 172], или зеркально-диффузно [173] отражающей. При этом граничныеповерхности предполагались частично прозрачными [162, 165, 173] илинепрозрачными [162, 164, 173, 174]. Необходимость учета сложных процессовсовместного переноса теплоты тепловодностью и излучением в частичнопрозрачных материалах возникает при высокоинтенсивном нагреве внешнимипотоками излучения, воздействие которых на МКА ТК представляется покамаловероятным.Для численного решения задач теплопроводности при помощи методаконечных элементов (МКЭ) в настоящее время широко применяютсякоммерческие программные продукты ANSYS и NASTRAN [174, 175],позволяющие существенно снизить время вычислений.41Аналитическиерасчетныесоотношениямеждунапряжениямиидеформациями в ПКМ под нагрузкой являются предметом изучения механикикомпозитных сред.
Значимые работы в области определения НДС «холодных»конструкцийизН.А. АндреевуПКМипринадлежатН.А. Алфутову,Ю.В. Немировскому,С.А. Амбарцумяну,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. [176-191].В настоящее время существует два основных подхода к определениюупруго-прочностныххарактеристикПКМ–структурныйифеноменологический. Структурный подход подразумевает учет процессов,происходящих в материале на микромеханическом уровне и малоприменим настадии проектирования. В рамках феноменологического подхода ПКМрассматривается как однородная среда с анизотропными характеристиками иматематическая модель, описывающая поведение материала под нагрузкой,основывается на уравнениях теории анизотропных сред [179, 181]. Для пластини оболочек из ПКМ закон Гука для монослоя в общем случае принимаетследующий вид:σ111121σ2231σ33=τ2341τ1351[ τ12 ] [6112223242526213233343536314243444546415253545556516 ε1126 ε2236 ε3346 ∙ γ23 ,56 γ1366 ] [γ12 ]где σ – нормальные напряжения, τ —касательные напряжение, –компоненты матрицы жесткости, ε –линейные деформации, γ – угловыедеформации.Для плоского НДС закон Гука записывается следующим образом:σ111σ[ 2 ] = [12τ12012220ε100 ] ∙ [ ε2 ]γ1266Для многослойного ПКМ основное уравнение теории слоистых пластинможет быть записано в виде:42011[ ] = [1216122226ε1311023 ] ∙ [ ]+[1266γ0 161222261323 ] ∙ [ ],6611[ ] = [1216122226ε01311023 ] ∙ [ ]+[1266γ0 161222261323 ] ∙ [ ],66где N и М – погонная сила и погонный момент, действующие на пластину; Аij, Вij,Dij – коэффициенты матриц жесткостей.Работоспособность конструкций из ПКМ оценивается при помощиразличныхкритериевпрочности:критериямаксимальныхнапряжений,критерий максимальных деформаций, Цая-Хилла, Цая-Ву, Хоффмана и др.К недостаткам описанных аналитических методов относится высокаятрудоемкость производимых вычислений, и, кроме того, необходимостьдекомпозиции геометрически сложных объектов на более простые (пластину,цилиндр, конус, стержень, сферу и т.д.).Применению численных методов для решения задач механики слоистыхконструкцийпосвященыработыФ.Л.
Мэттьюза,Б.Е. ПобедрииЮ.С. Уржумцева и др. [190-193]. Численные методы реализованы в такихпрограммных продуктах как ANSYS, AnsysWB, Nastran и Patran, которыепозволяют, определить НДС конструкции сложной геометрической формы безнеобходимости вычленения более простых, существенно сокращая при этомвремя вычислений.При разработке методики оптимального проектирования элементовконструкций крыльев суборбитальных МКА ТК необходимо принимать вовнимание тот факт, что конструкция является «горячей», т.е.
в нейединовременно возникают механические и термические напряжения. Силовое итепловое нагружение одновременно учитывалось в работах Л.Г. Белозерова,Б.Е. Гейтвуда, А.Д. Коваленко, Г.Н. Кувыркина, Г. Паркуса, Я.С. Подстригача,Б.Г. Попова, Б.С. Сарбаева и др. [194-203]. В работах [194-203] для определения43НДС конструкций использовались аналитические методы, сопровождавшимисягромоздкими вычислениями.С учетом проведенного анализа в настоящей работе отдано предпочтениечисленнымметодаммоделированиятемпературногодеформированного состояния крыла МКА ТК.инапряженно-44ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДИКИОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРЫЛА СУБОРБИТАЛЬНОГОМНОГОРАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА2.1.
Проектный облик и основные параметры суборбитального МКА ТКПроектный облик исследуемого в настоящей работе МКА ТК формируетсяс учетом специфики назначения аппарата и его траектории полета.Туристическое назначение отражается на требованиях, предъявляемых каппарату, к основным из которых относятся: минимально возможные уровниперегрузок, высокая надежность и безопасность, комфорт, экономическаяэффективностьсистемы,возможностьгарантированноговизуальногонаблюдения туристами поверхности Земли и др. Из-за меньших скоростейполета суборбитального МКА ТК в атмосфере по сравнению с орбитальнымиаппаратами уровень аэродинамических нагрузок также снижается. В связи сменьшим тепловым и силовым воздействием, конструкция суборбитальногоМКА ТК приобретает следующие особенности [29]:- меньшие размеры ракетной части системы (как по запасу топлива, так ипо тяге двигателей, размерам и массе конструкции носителя);- отсутствие необходимости применения сложной теплозащиты;- снижение массы бортового оборудования.Перечисленные выше характерные черты суборбитальных МКА ТКприводят к значительному уменьшению массы как конструкции самогоаппарата, так и всей ракетно-космической системы.Рассматриваемый в настоящей работе суборбитальный пилотируемыйМКА ТК «Одуванчик» предназначен для группового полета пяти человек (пилоти четыре туриста) [44].
В стартовом положении ракетно-космическая системаимеет массу 10 т, при этом масса МКА ТК «Одуванчик» составляет 3,5 т, аракетного блока – 6,5 т. Расчетная максимальная высота полета должна быть неменьше 100 км. Вертикальный запуск МКА ТК «Одуванчик» предполагается45вести с наземных мобильных установок (см. Рис.
1.8), горизонтальная посадкабудет выполняться по-самолетному.В соответствии с проектным замыслом данный МКА ТК имеет нормальнуюаэродинамическую схему с низкорасположенным крылом и Т-образным оперением.Выведение на траекторию полета осуществляется с помощью спасаемого напарашюте блока с гибридным ракетным двигателем. В качестве топливапредполагается использование закиси азота (N2O) и полибутадиена сгидроксильными группами. Данное топливо позволяет достигать значенияудельногоимпульсадо3200 м/с,крометоготопливонетоксично,взрывобезопасно, допускает длительное хранение в снаряженном виде иобладает умеренной стоимостью.ГеометрическиеимассовыехарактеристикисуборбитальногоМКА ТК «Одуванчик» приведены в Таблице 2.1 и на Рис.
2.1.Таблица 2.1.Геометрические и массовые характеристики суборбитального МКА ТК«Одуванчик».ХарактеристикаЗначениеМасса полезного груза(люди / оборудование), тМасса аппарата, тРазмах крыла, ммХорда конца крыла, ммХорда в середине крыла, ммСредняя хорда крыла, ммПлощадь крыла, м2Нагрузка на крыло, кг/м2Длина фюзеляжа, ммПлощадь стабилизатора Sст, м2Небольшие габаритные размеры «Одуванчика» даютиспользовать для его транспортировки наземные средства.5/0,63,5825022006000410033,036,494003,5возможность46Рис.
2.1. Внешний облик МКА ТК «Одуванчик»472.2. Конструктивно-компоновочные особенности крыла МКА ТККрыло МКА ТК «Одуванчик» представляется изолированным, конечногоразмаха в виде тонкой слоистой трапециевидной пластины, состоящей из одноголонжерона и тонких обшивок (Рис. 2.2). Применение слоистой обшивки даетцелый ряд преимуществ в сравнении с однослойной: слоистая обшивка имеетбольшую поперечную жесткость и, следовательно, высокие критическиенапряжения. По этой причине слоистая обшивка не нуждается в частомстрингерном наборе.абвРис.
2.2. Геометрия крыла: а – в плане; б – корневая хорда;в – концевая хордаКрыло обладает следующими конструктивными параметрами:481. трапециевидная форма со стреловидностью 45º;2. относительная толщина профиля – 12%;3. вогнутость профиля – менее 1,5 % (малая вогнутость).Угол стреловидности 45º по передней кромке снижает максимальнуютемпературу аэродинамического нагрева [44]. Площадь крыла составляет 32 м2и обеспечивает заданную посадочную скорость от 200 до 240 км/ч при расчетноймассе МКА ТК «Одуванчик» – 3,5 т.Обшивки крыла воспринимают только крутящий момент и небольшуючасть перерезывающей силы, а изгибающий момент почти весь воспринимаетсялонжероном.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
