balabuh_l_i___alfutov_n_a___usyukin_v_i_ _stroitelnaja_mehani (523124), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Обечайкп бака можно изготовлять из плит алюминиевого сплава. В процессе химического фрезерования ячеек прямоугольной или ромбовидной формы часть материала удаляется. Остающиеся часто расположенные ребра делают оболочку анизотропной. Обечайку рассчитывают на устойчивость как цилиндрическую конструктивно-анизотропную оболочку, нагруженную осевым сжимающим усилием и внутренним давлением. Значение ги критического напряжения в оболочке зависит, в первую очередь, от изгибной жесткости продольных ребер и жесткости на растяжение окружных ребер. Баки вафельной конструкции применены в ракетах «Сатурн», «Тор» и др. В ракете «Сатурн» самые большие баки — баки ускорителя первой ступени Б-1С.
Диаметр баков составляет 10 и. Изготовлены они из сварнваемого, обладающего высокой удсльпой прочностью прн низких температурах и не имеющего склонности к хрупкому разрушению алюминиевого сплава. Передний бак состоит из двух кольцевых секций, каждая секция — из четырех листов. Обечайка другого варианта бака состоит из листов вафельной конструкции с усиливающими ребрами в продольном и поперечном направлениях, Ребра высотой 50 мм обра. зуют квадратные клетки при толщине оболочки 4,6 мм. Полусферические днища баков высотой 3700 мм изготовлены из того же материала. Передний бак горю~его третьей ступени ракеты «Сатурн-5» — вафельной конструкции, с ячейками ромбовидной формы. Бак окислителя — чечевицеобразной формы, собршшый из двух полусферических днищ.
Соединение днищ друг с другом и с обечайкой осуществляется через прессованный шпангоут таврового сечения. Верхнее днище — трехслойное: внешние слои, в виде тонколистовых полусфер, соединены через промежуточный сотовый слой из стеклопластика, нгршощий также роль теплоизолятора. Рассмотренные баки выполнены по так называемой несущей схеме. Их особенность состоит в том, что обечайка бака является одновременно и корпусом ракеты, воспринимающим осевое сжатие и изгиб. Баки, расположенные внутри корпуса, воспринимающего внешние нагрузки, называют и о д в е с н ы м и. На бак действуют лишь внутреннее давление и местные силы, передаваемые узлами крепления. При известном давлении наддува, осевой силе и изгибающем моменте погонные силы Т, и Т, в обечайке подвесного бака определяются по зависимостям (11.2), (11.3). В некоторых новых конструкциях ракет встречаются баки сложной конфигурации: сфероидальные, торообразные.
Расчет подобных баков па прочность проводится в основном на расчетный случай максимального внутреннего давления. Например, в изображенном па рис, 11,2 топливном отсеке транспортного корабля «Спейс Шаттл» передний бак окислителя имеет сфероидальную форму. Оживальная головная часть соединяется с небольшой цилиндрической секцией н нижним эллписоидальпым дпнщсм. Максимальный диаметр бака 8,4 м, толщина листов из алюминиевого сплава переменная вдоль образующей, достигающая в самой тонкой части 3,7 мм.
Основные элементы баков гладкой конструкции — цилиндрические и слабоконические обечайки — состоят из листов или панелей, имеющих постоянну,"о или переменную толщину вдоль образующей. Расчет обечайки бака ведут на про иосгпь от действия внутреннего давления и на усиойчивосптьотосевых сжимающих сил с учетом внутреннего давления. Расчет на прочность. Погонные силы в обечайке бака находят по формулам (11.2) ... (11.4). При расчете определяющей является окруж.
ная сила Т„зависящая от внутреннего давления р. Перед расчетом на прочность бака определяют расчетные случаи для различных его сечений. В связи с тем что в процессе полета раке- ты осевая перегрузка п„возрастает, а высота столба жидкости О па- дает, для различных сечений бака следует найти зависимость давления от времени и определить максимальное значение р по формуле (11.1). Так, при постоянном давлении наддува ра величина 1д,аак будет при- ходиться на момент, когда произведение л „О достигнет максималь- ного значения, Этот момент времени и будет соответствовать расчет- ному случаю для каждого сечения обечайки. По зависимостям (11.2) и (11.3) в расчетных случаях определяют меридиональные Т, и окруж- ные Т, силы. Возможны два вида напряженного состояния обечайки бака: 1) ок- ружная Т, и меридиональная Т, силы — растягивающие (этот слу- чай характерен для такого нагружения баков, когда абсолютные зна- чения первых двух слагаемых правой части формулы (11.2) меньше третьего слагаемого); 2) окружная сила Т, растягивающая, а меридио- нальная сила Т, — сжимающая.
В обоих случаях меридиональная сила, как правило, по модулю существенно меньше окружной. При Т, ~ О и Т, ~ О расчет баков на прочг1ость ведут только от окружных усилий. В проектировочном расчете из условия прочности обечайки в окружном направлении определяют ее толщину, в прове- рочном — при известной толщине определяют расчетные напряжения а„. Эти напряжения должны быть меньше предела прочности материала т, ! л, Если баки сжаты в осе- ?,0 вом направлении (Т, ~ О; Т, ( О), то для каждой 10 комбинации сил Т, и Т, в различных сечениях опре- 0 л у ю.,сда. деляют эквивалентные напряжения: Р .11.3 дт, =- (Т, — Т,) / 6, (! 1.6) а расчетные напряжения находят по формуле а„= )" а,.
С учетом зна- ка суммарные напряжения здесь будут больше, чем соответствующие окружные. Полученные напряжения при этом долзкны удовлетворять условию прочности ар е . дт„. Пример. Требуется определить толщину обечайкн бака диаметром Р = = 2500 мм, при давлении наддува р„= — 0,25 Мпа, удельном вссс жидкости т =- = 1430 Нlмз.
Материал бака — алюминиевый сплав (ов =- 250 М11а). Закон из- менения осевой перегрузки дд„(1) по траектории принят таким же, как для раке- ты Ч-2 (рис. 11.3). Рассмотрим два сечения бака, отстоящие от уровня жидкости в начале полета на 2,5 (Нд) и 5,0 м (Н,). Расход топлива постоянный. На рис. 11.3 изображены также графики зависимостей Нд (1), Н, (т) и про- изведений п„Н, (1) и п„На Я. Кривые показыва|от, что при постоянном давле-' Н,м лх а,р Пх~,И 1йа нии наддува ро расчетными случаями для обоих сечений будет 6-я секунда полета.
При этом Н, = 2,1 и, На = 4,6 м и и =- 2,15. Вычислим внутренние давления для принятых сечений: рг = Ро + вхуНг = (0,25+ 2,15 ° 1430.2,1 1Π— з) МПа =- 0,315 МПа; Ла = ро + вауНа = (0,25+ 2,15 1430 4,6 ° 10 з) МПа = 0,391 МПа, Соответствугощне погонные окружные силы Тат = рта — 0,315 ° 1250 = 394 кН/м; Таа = рай =- 0,391 1250 = 488 кН/и. Если меридианальная сила Т,:~ О и коэффициент безопасности / = 1,5, то толщины обсчайки в сечениях 1 — 1 и 2 — 2 (рис.
11.3) равны Ьт = — Таг//ав = 1394 1,5/(25 1О )1 м = 2,36 10 — з мг /га = Тза//ав = 1488 1 5/(25, 104)! м = 2 93. 1О-з ы. Ниже рассмотрим случай, когда меридианальное усилие Тт ( О, например Тт = — 100 кН/м. Окружные напряжения в сечениях 1 — 1 и 2 — 2 примем теми же, В соответствии с зависимостью (11.6) толщины обечайки в этих сечениях равны /г, = (Тат — Тг) //ав = Ц394+ 100) 1,5/(25 104)1 и = 2,96 1О-з м; /га = (Таа — Тг) //ав = 1(488 + 100) 1,5/(25 10 Ц и = 3,53. 1Π— з и.
Расчет на прочность обечайки является основным для баков гладкой конструкции, когда в осевом направлении напряжения растягивающие. Если в осевом. направлении в обечайке возникают сжимающие напряжения, необходимо дополнительно проводить расчет на устойчивость.
Расчет на устойчивость. Обечайку бака рассматривают как изотропную оболочку, нагруженную сжимающей силой, изгибающим моментом и внутренним давлением. Напряжения, соответствующие потере устойчивости такой оболочки, зтх л = ~х л Е/г/ гз~ (11.7) где Š— модуль упругости материала оболочки; /г — толщина оболочки; Я вЂ” ее радиус; /ех — коэффициент устойчивости. В'практических расчетах коэффициент /г„можно представить в форме вхл /г 'ор /олг ~г ° (11.8) Каждый из коэффициентов в этой формуле отражает влияние определенного фактора: /г — влияние начальных несовершенств оболочки; /е — влияние внутреннего давления; Им — неравномерность распределения сжимающих напряжений по сечению, возникающих от осевого сжатия и изгиба; /гг — влияние.
пластических деформаций. Рассмотрим вкратце влияние каждого фактора в отдельности на устойчивость оболочки. Влггчнгге начальных несоверленспгв. Напряжения, соответствующие потере устойчивости оболочки, существейно зависят от начальных несовершенств (начальных неправильностей формы): чем больше отклонения от идеальной формы, тем ниже критическое напряжение. Практически влияние начальных несовершенотв возрастает с уменьшением относительной толщины оболочки ЬЯ.
Поэтому коэффициент, учитывающий влияние йачальных несовершенств, можно представить как функцию А = й (й/В). Для тщательно изготовленных' обечаек баков можно принять й = 0,605 — 0,545 1 — схр ( — — 1 — . (11.9) 16 У й/ Так, например, для оболочки, имеющей параметр ЬЯ = 1/500, Ь = = 0,2 при 6/Я = 1/1800, А = 0,1. На рис. 11.4 изображена зависимость (11.9) и результаты ряда экспериментов 1171. /ОО Ваа /2аО и// 2ПОП 24ПП 2ВПа Я// Рис. 11.4 Рыс. 11.5 297 Влияние внутреннего давления. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что внутреннее давление существенно влияет на устойчивость цилиндрической оболочки, нагруженной осевыми силами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
