Анализ напряженно-деформированного состояния трехслойных конструкций летательных аппаратов в зоне краевого эффекта и уточнение принципов расчета на прочность таких конструкций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

и

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МАТИ - РГТУ имени К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРЕХСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В ЗОНЕ КРАЕВОГО ЭФФЕКТА И УТОЧНЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ ТАКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 01.02.06 - «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры»

На правах рукописи

АБРОСИМОВ Николай Анатольевич

УДК 629.18 А16

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный консультант кандидат технических наук, доцент Устарханов О.М.

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание............................................................... 2

Введение ............................................................... 4

Раздел 1 Напряженно - деформированное состояние

трехслойных цилиндрических конструкций...... 25

1.1 Основные соотношения для трехслойных цилиндрических оболочек с несимметричным пакетом ...................................................... 27

1.1.1 Принятые геометрические гипотезы и исходные зависимости.............................................. 27

1.1.2 Гипотезы моментности................................ 31

1.1.3 Структура и свойства пакета........................ 32

1.2 Основные разрешающие соотношения............ 35

1.2.1 Разделение переменных при решении задач пространственного деформирования слоев трехслойной конструкции............................ 35

1.2.2 Вариационные принципы в описании трехмерного напряженно - деформированного состояния пакета трехслойной конструкции.............. 41

1.3 Определение напряженно - деформированного состояния трехслойной цилиндрической оболочки под действием осевой сжимающей силы .. 59

1.4 Выводы первого раздела.............................. 66

Раздел 2 Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния элементов трехслойных конструкций........................... 68

2.1 Экспериментальное исследование трехслойных

балочных элементов................................... 69

2.2 Экспериментальное исследование трехслойной цилиндрической оболочки под действием осевой силы, приложенной к одному несущему слою..............................................................................................................79

2.3 Выводы второго раздела............................................................88

Раздел 3 Условия прочности трехслойных конструкций .. 90

3.1 Критерии прочности и пластичности в задачах трехмерного напряженного состояния........................91

3.2 Использование обобщенного критерия прочности для общей оценки прочности заполнителя ... 98

3.3 Выводы третьего раздела..........................................................106

Основные результаты, их научная новизна......................................Ю7

Внедрение результатов исследования. Возможные другие

области их применения и дальнейшего развития........................по

Литература............................................................................................................................112

Приложение 1......................................................................................................................117

Приложение 2......................................................................................................................129

Приложение 3......................................................................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Требования по прочности и весу, предъявляемые к современным конструкциям, непрерывно повышаются, а условия, в которых эксплуатируются изделия, становятся все более жесткими. В процессе эксплуатации современные изделия, помимо силовых, подвергаются комплексу различного вида физических воздействий: высокой температуры, климатических факторов, радиации и других; во многих случаях стенки конструкции должны выполнять также и теплоизолирующие функции [35].

Создание материала, достаточно прочного, жесткого и удовлетворяющего требованию сопротивляемости комплексу физических факторов, практически невозможно. Необходимость одновременного выполнения целого ряда порой противоречивых требований приводит к идее многослойных конструкций, в которых каждый слой воспринимает только один или лучше несколько факторов воздействия. При этом слои могут различаться как по толщине, так и по физико-механическим свойствам, то есть пакет существенно неоднороден.

Весьма обширным и важным классом многослойных конструкций являются трехслойные конструкции. Трехслойные несущие элементы при малом весе обладают повышенной жесткостью на изгиб, что позволяет получить значительный выигрыш в весе для конструкций, воспринимающих сжимающие усилия. Кроме того, во многих случаях трехслойные пакеты обладают высокими теплоизолирующими и радиотехническими свойствами, что является немаловажным фактором при эксплуатации ряда современных изделий различного назначения. Опыт эксплуатации и отработки объектов с применением

трехслойных пакетов показал высокую эффективность трехслойных конструкций, а порой - их незаменимость.

Трехслойный пакет состоит из так называемых несущих слоев и слоя заполнителя, находящегося между ними и обеспечивающего их совместную работу. Тонкостенные несущие слои выполняются из жестких конструкционных материалов. В ряде случаев из-за различия в условиях эксплуатации внутреннего и наружного несущих слоев они изготавливаются из различных материалов и различной толщины, то есть трехслойный пакет может иметь несимметричную структуру по толщине, как в геометрическом, так и в физическом смысле. Несущие слои, в свою очередь, в зависимости от условий эксплуатации могут состоять из нескольких разнородных слоев каждый, то есть они сами являются многослойными.

Созданию и применению трехслойных конструкций предшествовало большое число теоретических и экспериментальных исследований. В результате их были выявлены следующие основные преимущества трехслойных конструкций.

1. Малая удельная масса по сравнению с традиционными типами конструкций подкрепленных пластин и оболочек при определенных размерах конструкций и типах материалов. Наибольший выигрыш в массе можно получать при использовании плоских трехслойных пластин относительно больших габаритов. Массовая эффективность трехслойных конструкций тем выше, чем больше удельная жесткость несущих слоев, которая оказывает влияние на цилиндрическую жесткость конструкции.

2. Экономичность по сравнению с традиционными конструкциями. Однако, при использовании некоторых новых высокопрочных

композиционных материалов стоимость трехслойных конструкций может быть высокой несмотря, на малую массу.

3. Хорошие теплоизолирующие свойства.

4. Повышенная звукоизолирующая способность.

5. Высокий коэффициент внутреннего поглощения энергии: декремент затухания колебаний на один-два порядка выше, чем у подкрепленных конструкций. Долговечность трехслойных конструкций при воздействии переменных нагрузок выше, чем листового материала и сварных однослойных подкрепленных панелей. Предел выносливости повышается при уменьшении жесткости заполнителя на сдвиг.

6. Выносливость слоистых конструкций превышает выносливость панелей стрингерных конструкций.

7. Большой срок службы за счет равномерного подкрепления несущих слоев, отсутствия заклепок, вызывающих концентрацию напряжений.

8. Применение трехслойных конструкций (в том числе паяных и сварных) позволяет ликвидировать операцию правки и устранять концентрацию напряжений при изготовлении.

9. Невысокая трудоемкость изготовления и сборки вследствие меньшего числа деталей по сравнению с обычными конструкциями.

Также, одним из основных достоинств трехслойных пакетов, которому могут быть посвящены многие перспективные разработки в различных областях науки и техники, является многофункциональность трехслойных конструкций. Ведь наряду с различными физическими и механическими свойствами, закладываемыми в процесс

проектирования того или иного изделия, можно совместить ряд важных функциональных свойств, присущих различным системам.

Так, например, при проектировании элементов конструкции, подвергающихся сильным тепловым нагрузкам с внешней стороны (обтекатели ракет-носителей, спускаемые с орбиты космические аппараты) логично сделать внешний несущий слой из материала, выдерживающего большие тепловые потоки. Для внутреннего слоя целесообразно использовать менее теплостойкие материалы, но с более высокими прочностными характеристиками, так как тепловые потоки от внешнего слоя к внутреннему слою ослабевают, проходя через заполнитель, изготовленный из материала, обладающего большой теплоемкостью. То есть конструкция обтекателя в данном случае совмещает в себе свойства как несущие (механическое нагружение) так и свойства пассивной теплозащиты.

На рис. 1. приведено распределение силовых и температурных воздействий при движении спускаемого аппарата в период прохождения им различных высот в момент приземления. Из графиков можно увидеть, что максимальные силовые воздействия на объект возникают в верхних слоях атмосферы, когда температурные воздействия еще незначительны. Тем самым теплозащитное покрытие может выполнять несущие функции, а когда тепловые потоки становятся преобладающими в напряженном состоянии, механические нагрузки незначительны, выгорая, теплозащитное покрытие не вносит существенного снижения прочности спускаемого аппарата. Поэтому в расчете на прочность следует принимать во внимание и теплоизолирующий, а в ряде случаев и теплопоглощающий слои.

Рис. 1. Изменение силовых и температурных воздействий на

спускаемый аппарат При использовании такого типа конструкций встает необходимость умения производить расчеты трехслойных конструкций с несимметричной структурой, имеющей как геометрическую, так и физическую несимметрию несущих слоев по отношению друг к другу.

Но бывают случаи, когда недостаточно использование пассивной теплозащиты, особенно на конструкциях, предназначенных для многоразового использования. Применение трехслойных конструкций с различными типами заполнителя может помочь и в данном случае. Проводилось проектирование и расчет конструкции носка крыла гиперзвукового самолета, принимающего на себя большие тепловые потоки. Было решено сделать носок крыла в виде трехслойной конструкции с использованием в качестве среднего слоя пористого металлического заполнителя, представляющего собой строго упорядоченную структуру, образующую додекаэдр. Имеется опыт производства заполнителя такого типа из различных материалов. Но до настоящего времени пористый металлический заполнитель нашел свое применение лишь в качестве фильтров в различных гидравлических системах. Размер ячейки может лежать в широком диапазоне от 0,01 до 1 мм, что влияет на его плотность, гидравлическое сопротивление и модули жесткости. Удельные же характеристики данного материала близки по значению характеристикам из-

вестных заполнителей применяемых в производстве трехслойных пакетов [26]. Идея предлагаемой конструкции заключается в том, что внутри носка крыла по сформированным с помощью перегородок каналам во время полета прокачивается хладагент, обеспечивая унос тепла от наиболее нагруженных в тепловом отношении зон конструкции. Тем самым в данном конструктивном решении были совмещены несущая способность и активная тепловая защита одного из наиболее сложных элементов перспективного самолета. Работы по данному вопросу проводились в АНТК им. Туполева А.Н.

Таким образом, на данном примере мы убедились в возможности использования трехслойных пакетов применительно к принципиально разным системам конструкции. Наряду с механическими и тепловыми свойствами трехслойных конструкций видится их широкое применение в различных изделиях с целью шумоизоляции, радиопоглощения, в конструкциях, ставящих цель предотвращения сквозного проникновения тех или иных предметов (например, защита от метеоритного, осколочного или пулевого проникновения). Благодаря высокому коэффициенту внутреннего поглощения энергии, спроектированные соответствующим образом трехслойные пакеты, при заданных критических нагрузках могут эффективно исполнять роль пластического амортизатора, что имеет большое практическое значение в различных отраслях техники.

Таким образом, говоря о многофункциональности трехслойных конструкций, следует более тщательно подходить к их проектированию, добиваясь, чтобы элементы одной конструкции совмещали в себе различные свойства, тем самым, отказываясь от проектирования дополнительных систем, узлов и агрегатов, повышая эффективность проектируемого изделия.

В связи с тем, что при работе конструкция испытывает нагрузки, разные по величине в различных направлениях, изготовление современных крупногабаритных изделий немыслимо представить без применения армированных пластмасс в качестве материалов для несущих слоев. Такие материалы имеют заданные свойства в определенном направлении. Армированные пластмассы являются, как известно, материалами с резко выраженной анизотропией свойств. В подавляющем большинстве практически важных случаев эти материалы имеют оси упругой симметрии и подчиняются законам упругости ортотропного тела. Таким образом, несущие слои современных трехслойных конструкций представляют собой многослойные оболочки, собранные из ортотропных слоев.

Сравнительно толстый слой заполнителя обычно выполняется из легких материалов типа пенопластов, различного рода гофров и сот, которые так же, как и несущие слои, образуют ортотропную структуру, то есть, являются анизотропными. Жесткости заполнителей в реальных конструкциях, как правило, бывают малы по сравнению с жесткостью трехслойного пакета, в этом случае заполнитель называют легким. Если жесткость заполнителя и пакета сравнимы, то заполнитель называют жестким.

Одной из наиболее распространенных форм элементов современных летательных аппаратов является цилиндрическая форма. Это объясняется не только сравнительной простотой изготовления цилиндрических отсеков, но и самой логикой форм изделий летательных аппаратов. Поэтому в дальнейшем основное внимание будет уделяться анализу цилиндрических оболочечных конструкций. А, как известно, переход к зависимостям для напряженно - деформированного состояния конструкций типа пластины и балки, имея соот-

ношения для оболочки, не представляет затруднений. Кроме того, из множества воздействий, встречающихся при эксплуатации современных трехслойных конструкций, выделим класс статических на-гружений, который является одним из определяющих при расчете несущей способности.

Гладкая оболочка есть один из основных элементов трехслойных конструкций. Вторым основным элементом являются опорные шпангоуты или вкладыши, через которые передаются различного рода локальные силовые воздействия, возникающие в процессе эксплуатации изделия. Необходимость опорных шпангоутов или вкладышей объясняется весьма малой толщиной несущих слоев, вследствие чего последние не могут воспринимать интенсивные локальные воздействия.

Трехслойные конструкции, применяемые в летательных аппаратах, подвергаются ряду статических и квазистатических силовых воздействий, из которого можно выделить три главных типа:

- сжимающие усилия, возникающие при действии осевых сил, внешнего давления и кручения; несущую способность в данном случае определяет устойчивость оболочки;

- воздействие локально распределенных сил и моментов, которые обычно передаются через опорные шпангоуты; в этом случае несущую способность определяет напряженно - деформированное состояние шпангоутов и трехслойных секций;

- воздействие осесимметричных нагрузок, в частности, внутреннего давления, которые являются определяющими факторами при оценке прочности в ряде конкретных случаев; несущую способность здесь определяет осесимметричное напряженно-деформированное состояние трехслойных отсеков.

При разработке методов исследования прочности трехслойных конструкций необходимо иметь в виду ряд особенностей, связанных с учетом сопротивления маложесткого слоя заполнителя и общей слоистостью пакета. Во-первых, трехслойные тонкостенные конструкции со слабым на сдвиг заполнителем, как правило, не подчиняются классическим теориям о неизменной нормали. Во-вторых, для многослойных тонкостенных пакетов, выбранных из анизотропных, в частности ортотропных, слоев отсутствует единая нейтральная поверхность [18, 25, 27, 30], что значительно загромождает исходные зависимости и затрудняет разработку эффективных методов решения задач. В-третьих, слоистая структура несущих слоев и всего пакета в целом, неоднородность заполнителей и существенная зависимость жесткостных свойств конструкции от технологии ее изготовления не позволяют получить теоретическим путем достоверные сведения о жесткостях конструкции. Только экспериментами, проводимыми на образцах, вырезанных из реального изделия (или технологического припуска), можно определить именно те свойства многослойного пакета, которые реализуются непосредс�