balabuh_l_i___alfutov_n_a___usyukin_v_i_ _stroitelnaja_mehani (523124), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Испытания всей конструкции на изгиб проводят, нагружая корпус самоуравновешенной системой внешних сил, имитирующей эпюру изгибающих моментов определенного расчетного случая. Если необходимо нагрузить отсек или его часть внешним давлением, удобно применять мягкие торообразные емкости, опоясывающие отсеки. Подачей давления в емкости создают распределенную нагруз- ку на отсек. Чтобы имитировать небольшие внешние распределенные силы 1давление) па отдельных участках, используется нагружение с помощью мешочков с дробью, При статических испытаниях пагружение проводят до эксплуатационного и разрушающего значений нагрузки. Прежде всего испытывают отсеки и всю натурную конструкцию при э к с и л у а т а ц но н н о й н а г р у з к е во всех расчетных случаях.
Увеличение нагрузки после «обтяжки», составляющей 30...40 М от расчетного значения, ведут через каждые 10 %. При большом числе силовозбудителей применяют автоматические программные устройства. По достижении эксплуатационного значения нагрузку снимают. После этого отмечают наличие остаточных деформаций, разрушение крепежных элементов, местную потерю устойчивости обшивки.
Таким же образом проводят испытания по определению р а з р уш а ю щ е й н а г р у з к и. Это наиболее сложный этап эксперимента. Он сопровождается вначале местными разрушениями, а затем полным исчерпанием несущей способности конструкции. На каждом этапе нагружения определяют напряжения и форму деформирования конструкции.
Напряженное состояние в наиболее ответственных элементах определяют с помощью тензодатчиков. Измерение геометрии при пагруженни регистрируют обычно оптическими устройствами. В связи с тем что на различных участках полета и наземной эксплуатации на ракету действуют силы, меняющиеся во времени, испытания опытных образцов включают в себя эксперименты при ди н амическом нагруженин, Это касается прежде всего случаев старта, разделения ступеней, транспортировки на земле отдельных агрегатов и блоков. Проводят испытания как натурных конструкций, так и динамически подобных моделей.
Проверяют не только работу механических систем 1замков, разъемных соединений и др.), но и прочность отдельных элементов конструкции при динамическом на. гружении. Важной частью динамических испытаний являются эксперименты по определению частот и форм свободных колебаний, а также коэффициентов демпфирования. Результаты этих испытаний позволяют более обоснованно подходить к расчету конструкции при динамических нагрузках. С помощью оптических или электрических датчиков в ряде сечений фиксируются амплитуды, которые позволяют построить формы колебаний'при этой частоте. Эксперименты многократно повторяют при широком спектре частот возбуждения.
Отдельные элементы конструкции в полетеиспытывают не только механическое, но и те и л о в о е в о з д е й с т в и е. Испытания конструкции при совместном нагруженни внешними силами и нагреве— наиболее сложная часть экспериментальных работ. Для этого строят специальные приспособления и стенды, имитирующие нагружение конструкции. Результаты экспериментов позволяют уточнить расчетные методики, Глава 11 РАСЧЕТ БАКОВ При расчете баков ракет широко используются результаты экспери. ментальных исследований.
Это касается прежде всего расчетов на устойчивость. Критические напряжения потери устойчивости тонкостенных элементов определяют преимущественно опытным путем. В этой главе рассмотрена приближенная методика расчета на устойчивость основного силового элемента конструкции — цилиндрических обечаек несущих баков. Учитывается влияние внутреннего давления, неравномерности распределения напряжений по сечению. Используются данные экспериментов, служащие для уточнения теоретических формул. Приведена последовательность определения численных значений критических нагрузок для различных подкрепленных и неподкрепленпых конструкций баков. Рассмотрены расчеты на прочность цилиндрических обечаек и днищ разной формы, а также сфероидальных и торообразных баков. $11Л. Конструктивные схемы и нагрузки Исходными данными для расчетов на прочность баков являются внешние нагрузки и температурное состояние конструкции.
Баки в различных расчетных случаях нагружены: 1) давлением наддува р,; 2) давлением столба жидкости пдН, где и.„— осевая перегрузка; Н и 7 — соответственно высота столба и удельный вес жидкости; 3) силами реакции соседних отсеков. В поперечном сечении бака действуют изгибающий момент М, осевая сжимающая сила Л' и перерезывающая сила Я. От внутреннего давления р = ра+ паН (11.1) 10* момента М и сил У и Я в обечайке бака возникают меридиональные Т„окружные Т, и сдвигающие Ь погонные силы. Их наибольшие значения равны Т1 = — 1У! (2Ю) ~ Лй(лба) — раФ2); (11.2) Т, = (р + паН)К; (11.3) 5 =- ЯГ(лй).
(11.4) Положительные значения сил Т, и Т, соответствуют растягивающим напряжениям. Сдвигающая сила 5 в расчетах на прочность баков является менее важным фактором. Значения сил Т1 и Т, в первую очередь определяет выбор того или иного конструктивного варианта бака и, как показывают соотношения (11.2) и (11.3), зависят от давления наддува ра. При малых значениях давления наддува меридиопальная сила Т„возникающая в обечайке корпуса бака, оказывается сжимающей. Сжатая в осевом направлении обечайка может потерять устойчивость. Напряжения, при которых происходит потеря устойчивости обечайки гладкого бака, весьма невелики.
Для повышения устойчивости обе чайки можно применить панели стрингерной или вафельной конструк-- ции. Другой путь — увеличение давления наддува р, в баке. Большие давления р, приводят к растяжению обечайки вдопь образующей. При этом окружные силы Тз по формуле (11.3) оказываются большими. При больших окрУжных растягивающих усилиях баки целесообразно выполнять из высокопрочиых материалов. Отсутствие осевого сжатия позволяет делать обечайки неподкреиленными. Давление наддува в'иих обычно выбирают так, чпобы в осевом направлении не возникали сжимающие напряжения от силы Ь' и момента М: Суммарные осевые напряжения при этом сравнительно невелики. Однако внутреннее давление создает большие окружные напряжения па =(ро+ и„тН) —, которые оказываются расчетными ф — радиус обечайки бака; Й вЂ” толщина стенки).
Примером баков гладкой конструкции могут служить баки ракеты «Атлас» (рис. 11.1). Баки горючего (керосин) и окислителя (жидкий кислород) представляют собой единый блок длиной около 18 м и диаметром 3 м, В середине блока имеется полусферическая перегородка — днище, разделяющая емкости для горючего и окислителя. Обечайка бака изготовлена из 23 отдельных секций. Материал обечайки — нержавеющая холодно- катаная сталь с пределом прочности а„= 1400 МПа и пределом текучести от = 1120 МПа. Толщина стенок переменная: в передней части Ь=0,25 мм; у заднего днища й =- 1,! мм. Во время всего периода эксплуатации, начиная с изготовлении, в баках поддерживается избыточное давление р„= 0,07 МПа для предотвращения потери устойчивости тонкостенной обечайки.
Во время полета ракеты давление наддува в баке горючего р« =- 0,42 МПа, в баке окислителя ре = 0,18 МПа. Днища бака изготовлены сваркой секций из листов той же нержавеющей стали. Нижнее днище заднего бака н верхнее днище переднего имеют конусообразную форму. Диаметр (3 м) н толщины стенок (0,25 мм) обечаек баков этого типа таковы, что конструкция практически не может работать на сжатие. Секции бака не спо. собны воспринимать сжимающее напряжение выше 20 МПа, что соответствует осевой силе й« = 48 кН, Давление наддува ра = — 0,18 МПа создает осевую растягивающую силу Уп =- !300 кН.
Гладкие баки из высокопрочных материалов рассчитывают только на внутреннее давление, значение которого может существенно меняться по длине бака. Поэтому толщина обечайки у переднего днища отличается от толщины у заднего днища в несколько раз. При относительно небольших значениях внутреннего давления бак может быть выполнен из листового алюминиевого сплава. Окружные напряжения здесь существенно меньше. Обечайка сжата в осевом на- 292 правлении, Расчет ведут в основном наустойчивость как сжатых цилиндрических оболочек с учетом внутреннего давления.
Потеря устойчивости может происходить как в упругой, так и в пластической области работы материала. На участке активного полета ракеты в атмосфере часть бака пад зеркалом жидкости испытывает интенсивный аэродинамический нагрев. Механические характеристики материала обечайки при этом значительно снижаются. Расчет на прочность должен проводиться с учетом влияния температуры. Гладкие баки из листового алюминиевого сплава применяются на ракетах ' кЮпитер», «Редстоун» и др. Цилиндрические участки баков состоят из нескольких секций.
Днища представляют собой сегменты сферы и соединены с цилиндрической обечайкой через переходное кольцо. Для повышения напряжений, вызывающих потерю устойчивости бака от осевого сжатия, обечайку подкрепляют продольными и поперечными элементами, Такие баки называют с т р и н г е р н ы м и. Обечайки стрингерных баков сжаты вдоль образующей.
Давление наддува здесь сравнительно невелико. Осевая сжимающая сила по длине бака практически не меняется. При работе на сжатие все сечения равноопасны с точки зрения потери устойчивости, Поэтому такие баки часто выполняют из панелей со слабо изменяющимся сечением. Примером стрингерной конструкции служит бак жидкого водорода сбрасываемой топливной ступени транспортного корабля «Спейс Шаттл» (рис. 11.2).
Цилиндрический отсек диаметром 3,4 мм и длиной 23,5 м собран из четырех цилиндрических секций, каждая из которых сварена из восьми алюминиевых панелей. Каждая секция имеет 96 монолитных продольных стрингеров. Поперечными элементами жесткости являются тринадцать промежуточных шпангоутов 2-образного сечения. Для цилиндрических баков ракет больших диаметров, работающих при небольшом давлении наддува, целесообразно применять так называемую в а ф е л ь и у ю ~конструкцию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
