Экспериментальное исследование и численное моделирование динамических процессов пробивания преград тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра теории пластичности

0Й4Ь

На правах рукописи УДК 539.3

Антонов Федор Константинович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОБИВАНИЯ

ПРЕГРАД

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 1 НОЯ 2010

Москва-2010

004612360

Работа выполнена на кафедре теории пластичности механико-математического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научные руководители: Член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор

Ломакин Евгений Викторович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Моссаковский Павел Александрович

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор

Киселев Алексей Борисович

Доктор технических наук, профессор

Каримбаев Тельман Джамалдинович

Ведущая организация: Институт проблем машиноведения РАН

Л(

Защита состоится «12» ноября 2010г. в ЗЪ часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.91 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, механико-математический факультет, аудитория 16-10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке механико-математического факультета МГУ (Главное здание, 14 этаж)

Автореферат разослан «Г2_» октября 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.91, профессор С.В. Шешенин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования и актуальность темы

Динамические процессы, связанные с пробиванием преград, с давних пор представляют особый интерес для ученых-механиков. Это обусловлено, прежде всего, большой практической важностью решения подобного рода задач, а также сложностью и многообразием явлений, сопровождающих такие процессы.

Задачи о пробивании преград возникают в широком круге областей науки и техники, таких как защитное вооружение и военная техника, строительная механика, механика природных процессов и горное дело, транспортная и аэрокосмическая техника.

Объектом исследования настоящей работы является одна из наиболее интересных задач этого круга, связанная с анализом взаимодействия оборвавшихся фрагментов роторов газотурбинных двигателей (ГТД) с корпусами.

Большое число экспериментальных и теоретических исследований посвящено разработке подходов к оценке непробиваемости корпусов. Тем не менее, известные в настоящее время методы решения этой задачи не позволяют надежно прогнозировать результат взаимодействия оторвавшегося фрагмента ротора с корпусом в условиях возрастающих требований к его точности.

В связи с этим, тема диссертации, посвященной исследованию динамических процессов пробивания преград с целью разработки надежной методики расчётной оценки непробиваемости корпусов, учитывающей особенности взаимодействия фрагментов ротора с корпусом, разнообразие реализующихся термомеханических процессов и особенности поведения материалов в этих условиях, является, несомненно, актуальной.

Цель диссертационной работы

Целью диссертации является разработка и научное обоснование надежного подхода к решению задачи о результатах взаимодействия оборвавшихся фрагментов роторов с корпусами ГТД, базирующегося на анализе указанного взаимодействия и реализующихся в нем термомеханических процессов, а также учитывающего характерные для этих условий свойства материалов.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:

1. Развитие экспериментально-вычислительного метода решения существенно нелинейных краевых задач динамической прочности в рамках проблемы анализа последствий взаимодействия оборвавшихся фрагментов роторов ГТД с корпусами.

2. Разработка комплекса виртуальных и натурных экспериментов для определения свойств материалов и моделей контактного взаимодействия.

3. Разработка методики и проведение комплекса виртуальных экспериментов, моделирующих обрыв лопатки, и верификация разработанного метода путём сравнения результатов с реальным экспериментом по обрыву лопатки на разгонном стенде ЦИАМ.

4. Проведение исследований динамического поведения перспективного материала на основе многослойных органопластиков, пропитанных нанокомпозитной жидкостью, с целью оптимизации конструкции корпусов двигателя по условиям непробиваемости и минимизации веса.

Научная новизна

1. Предложено развитие аппроксимационного метода СН-ЭВМ A.A. Ильюшина применительно к существенно нелинейным контактным задачам динамической прочности. Построена итерационная экспериментально-вычислительная процедура, лежащая в основе этого метода. Разработан общий подход к реализации серий испытаний, воспроизводящих характерные для данного класса задач термомеханические состояния и позволяющий строить аппроксимационные соотношения, определяющие материальный отклик на этих состояниях. Разработана процедура согласования результатов натурных и численных экспериментов.

2. Решена задача о взаимодействии оборвавшейся лопатки компрессора низкого давления авиационного ГТД с корпусом и проведено сравнение результата с данными натурного эксперимента. На основе полученного численного решения проведена процедура классификации реализуемых термомеханических состояний, которая является достаточно общей для подобного класса задач. По результатам численного моделирования взаимодействия оборвавшейся лопатки с корпусами различных конструкций, сделан вывод о неэффективности сложных конструктивных решений в этой области.

3. Получены новые данные по динамическим свойствам перспективного композиционного материала на основе нанокомпозитной жидкости (НКЖ). Впервые доказана возможность представления НКЖ моделью Ньютоновой жидкости, определены параметры этой модели. Показана ключевая роль контактных условий в механизме увеличения энергоемкости многослойной преграды из органопластиковых полотен с нанокомпозитной пропиткой.

Достоверность результатов

Достоверность полученных в диссертации результатов обусловлена применением известных подходов и методов, сравнением основных результатов с экспериментальными данными. Наиболее важные результаты исследования получены на основе большого числа специальных натурных и виртуальных верификационных экспериментов, проведенных с использованием апробированных численных методов и

схем, а так же аттестованного экспериментального оборудования и современных методов обработки результатов испытаний.

Научная и практическая ценность работы

Изложенный в диссертации метод может использоваться для решения широкого круга задач, для которых возможность проведения натурных полномасштабных экспериментов ограничена, их реализация экономически нецелесообразна или в принципе невозможна. К таким задачам относятся, в частности, моделирование различного рода аварийных ситуаций, которые могут приводить к катастрофическим последствиям. С применением разработанного метода представляется возможным решать задачу создания лёгких непробиваемых корпусов. Эта тематика особенно актуальна в последнее время, в связи с разработкой двигателей для истребителей фронтовой авиации 5-ого поколения. Безусловна актуальность этой задачи и для гражданского авиадвигателестроения.

На основе проведенного численного анализа пробиваемости различных вариантов корпусов ГТД сделан важный практический вывод об относительной неэффективности сложных конструктивных решений в обеспечении непробиваемости по сравнению с традиционным цилиндрическим или коническим корпусом. Подтверждено, что наиболее эффективным вариантом конструкции корпуса будет слоистая конструкция с тонким металлическим слоем и системой слоев из композиционных материалов.

Подробно изучены динамические свойства новейшего композиционного материала - нанокомпозитной жидкости. Предложена модель динамического поведения НОС, определены параметры этой модели.

Исследованы динамические свойства титанового сплава ВТб, получены данные по динамическим кривым деформирования, параметрам разрушения и динамического трения.

Апробация работы

Часть результатов работы получена и использовалась в рамках исследований по гранту РФФИ № 09-08-01229-а.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры теории пластичности МГУ, на «Ломоносовских чтениях» (МГУ, 2009, 2010), на международной конференции Двигатели-2009 (Украина, Рыбачье, сентябрь 2009), на IV международной конференции Механика-2009 (Беларусь, Минск, декабрь 2009), на международной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, ТулГУ, ноябрь 2009), на конференции-конкурсе молодых ученых (Москва, НИИ Механики МГУ, 2009), на международной конференции "11th International LS-DYNA Users conference", (США, Дирборн, июнь 2010), на научных семинарах кафедры теории упругости, кафедры газовой и волновой динамики, кафедры

механики композитов МГУ, на научно-техническом совете ФГУП «ММПП «Салют». Часть результатов работы была представлена в докладе на конкурсе У.М.Н.И.К. 2009, по результатам которого автор был признан победителем конкурса

Результаты работы использовались при разработке корпусов вентиляторов перспективных двигателей в конструкторском бюро перспективных разработок ФГУП «ММПП «Салют»».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 128 страниц печатного текста, включая 79 иллюстраций, 5 таблиц. Список литературы содержит 115 наименований. По теме диссертации опубликовано 5 работ, одна из них - в издании из списка ВАК.

***

Автор выражает глубокую благодарность за постоянную поддержку и содействие работе, за помощь и критические замечания во все время её написания научным руководителям - члену-корреспонденту РАН, доктору физ.-мат наук, профессору Ломакину Е.В. и кандидату физ.-мат. наук, доценту Моссаковскому П. А.

Неоценимую помощь при работе над диссертацией оказали замечания и пожелания, а так же постоянная поддержка научного консультанта, Генерального конструктора ФГУП «ММПП «Салют», доктора технических наук, профессора Колотникова М. Е.

Также автор выражает признательность сотрудникам лаборатории динамических испытаний Института механики Нижегородского госуниверситета: заведующему лабораторией, доктору технических наук, профессору Брагову A.M., доктору физ.-мат. наук, профессору Ломунову А.К., кандидату технических наук Константинову А.Ю. за предоставленные экспериментальные данные и всестороннюю помощь при написании работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, дается краткое содержание диссертационной работы и литературный обзор.

В первой главе излагается состояние проблемы, формулируются цель и задачи исследования. Рассматриваются существующие конструктивные решения в области обеспечения непробиваемости корпусов ГТД при обрывах элементов роторов. Подробно описаны существующие методики расчета на пробиваемость. На протяжении многих лет основным инженерным методом оценки непробиваемости являлся полуэмпирический подход, основывающийся на сравнении кинетической энергии оборвавшейся лопатки с энергопоглощающей способностью корпуса. Известно, что расчет по полуэмпирическим методикам носит консервативный характер и приводит к избыточной толщине корпуса. В последнее время широкое распространение получили

расчетные методы на основе прямого трёхмерного компьютерного моделирования обрыва лопатки. Однако результаты такого анализа не могут считаться надежными без проведения специальной процедуры верификации используемых в расчетах математических моделей и их параметров.

Таким образом, для оценки непробиваемости в инженерной практике в настоящее время применяются следующие подходы:

- натурный эксперимент по обрыву лопатки на полноразмерном

двигателе или отдельных роторных узлах;

- полуэмпирические методы;

- компьютерное моделирование.

Тем не менее, до сих пор отсутствуют методики, позволяющие с необходимой точностью прогнозировать результат взаимодействия оторвавшегося фрагмента ротора с корпусом.

Так же в первой главе приводится обзор материалов, применяемых в конструкциях корпусов современных газотурбинных двигателей. Отмечено, что в настоящее время в качестве защиты корпусов от пробивания при обрыве лопатки широко используются композиты из тканых органопластиковых полотен с различными связующими. По данным многочисленных экспериментальных исследований [1], защитные свойства преграды, представляющей собой многослойный пакет из органопластикового тканого композита, могут быть улучшены без существенного увеличения ее массы путем предварительной пропитки всего пакета субстанцией, которую в англоязычной литературе принято называть Shear Thickening Fluid (жидкость, вязкость которой зависит скоростей сдвиговых деформаций).

Во второй главе излагается комбинированная экспериментально-вычислительная методика решения задач динамической прочности, реализованная в виде итерационной процедуры, идеологически близкой методу СН-ЭВМ A.A. Ильюшина [2]. Суть метода состоит в классификации полученных при численном решении краевой задачи пластичности траекторий деформаций с последующим воспроизведением в эксперименте на сложное нагружение (СН) тех из них, которые не были включены в класс допустимых траекторий для используемой в расчете модели материала. Для вычисления материального отклика на подобных траекториях при проведении повторных расчетов в рамках итерационной процедуры решения краевой задачи используются аппроксимационные соотношения, построенные по результатам проведенных СН-экспериментов.

Ниже приведены основные термины и обозначения, используемые при описании метода.

Локальный термомеханический процесс (локальный ТМП) точки (частицы среды) в момент времени t вводится как

nT = nTfEp, Ё,Т}&

где ер - накопленная пластическая деформация, ё - интенсивность скоростей деформаций, Т- температура

Термомеханический процесс на контактной границе Г двух сред определяется как:

П? = п£(свЬ>уаЬ,рп>Т}&

где Сзь - параметр, характеризующий чистоту обработки границы контакта между материалами, УаЬ - относительная скорость скольжения контактных поверхностей,рп - нормальное давление на границе контакта, Т - температура;

Материальным откликом в точке в момент времени Г назовём пару = определяемую напряжениями и параметром

повреждённости а>. Материальным откликом в точке, принадлежащей контактной границе Г раздела двух сред - пару = Яг{т£ь, о>г], где ттаЬ -вектор касательных напряжений, сот - параметр контактной изнашиваемости.

В качестве обобщенного ТМП принимается совокупность П = {ГТ^пП. а в качестве обобщенного материального отклика - совокупность И =

О^И?}-

Моделью поведения материала на множестве локальных ТМП называется отображение М(П), определяемое набором параметров {аь{&} (определяющие соотношения, критерий разрушения, законы трения на контактных поверхностях), которое каждому ТМП ставит в соответствие модельный отклик М=М{а,ш}. В том случае, если модельный отклик на всех ТМП множества совпадает с некоторой предписанной погрешностью 5 с их материальным откликом, то считается, что модель поведения материала применима (с допуском 5) к данному множеству локальных ТМП. Такие ТМП называются допустимыми для этой модели. Все локальные ТМП, допустимые для некоторой модели, образуют класс допустимых ТМП. Класс локальных ТМП называется воспроизводимым, если существуют такие его представители, которые можно воспроизвести в независимых верификационных экспериментах для измерения их материальных откликов.

В основу подхода положены следующие гипотезы:

1. Модельный отклик в каждой точке элемента конструкции однозначно определяется её локальным ТМП.

2. Все классы локальных ТМП, реализуемые в конструкции, воспроизводимы.

В динамических краевых задачах разумно вместо ТМП рассматривать характерные термомеханические состояния (ТМС) 5Т = 5т{ер,ё, - осредненные по времени ТМП.

Краевая задача решается методом прямого компьютерного моделирования на виртуальном стенде последовательными итерациями в соответствии со схемой, изображенной на рис. 1.

Виртуальный стенд краевой задачи

Модуль дискретизации

Модели трения

Модели материала и критерий разрушения

Модуль дискретизации

Верификационные виртуальные стенды

Л

да

Согласование результатов

Анализ ТМС *

Выбор и идентификация параметров модели

Все ТМС верифицированы?

I

Верификация ТМС

да

я ;

Рис 1. Решение краевой задачи динамической прочности.

На первом шаге отклик на всех возможных ТМС определяется в соответствии с одной выбранной моделью поведения материала. По результатам решения задачи производится классификация ТМС, полученных в решении. Для каждого класса ТМС определяется несколько представительных ТМС, которые можно воспроизвести в независимых верификационных экспериментах. При помощи таких экспериментов подбирается модель поведения материала, в соответствии с которой вычисляются материальные отклики на этих классах на следующем шаге итерации. После этого заново проводится классификация полученных ТМС и описанная выше процедура повторяется до тех пор, пока все классы ТМС не будут верифицированы.

В качестве иллюстрации подхода рассматривается компьютерная экспертная система [3] оценки непробиваемости корпусов (КЭС) при обрыве лопатки, в основе которой лежит описанный метод.

Компьютерная экспертная система оценки непробиваемости корпусов ГТД при обрыве лопатки представляет собой систему взаимосвязанных натурных и вычислительных экспериментов для обеспечения надежного предсказания пробивания корпуса ГТД при всех характерных сценариях обрыва лопатки. В состав компьютерной экспертной системы входит набор экспертных виртуальных стендов для компьютерного моделирования возможных сценариев обрыва лопатки с целью формирования экспертной оценки о пробиваемости или непробиваемости корпуса реального изделия, а также набор

верификационных виртуальных стендов для настройки и верификации КЭС.

Качество компьютерного моделирования на виртуальных стендах в основном определяется качеством реализации трех независимых структурных блоков, входящих в состав каждого виртуального стенда:

- блока материальных моделей;

- блока моделей контактного взаимодействия;

- блока конечно-элементной дискретизации.

Блок материальных моделей виртуальных стендов КЭС вычисляет материальный отклик Rt=R{c1J,tt)} на реализуемых в расчете внутренних локальных термомеханических состояниях ST = St[ep, è, Т, Ç} в соответствии с выбранной моделью материала.

Блок моделей контакта вычисляет материальный отклик на граничных локальных термомеханических состояниях

S-t = Sx {саЬ, vat,, pn, Т} в соответствии с выбранной моделью контакта.

Блок конечно-элементной дискретизации является независимым структурным элементом виртуальных стендов, определяющим степень детализации геометрической и конечно-элементной моделей.

Система натурных экспериментов для настройки и верификации КЭС включает следующие типы верификационных тестов:

- экспериментальные стенды для статических испытаний на растяжение, сжатие и кручение;

- экспериментальные стенды для определения динамических свойств материалов с использованием методики разрезного стержня Гопкинсона (РСГ) для испытаний на растяжение, сжатие и кручение;

- экспериментальные стенды исследования влияния вида напряженного состояния на динамические свойства материалов и определения критерия локального разрушения с использованием модифицированного метода РСГ;

- экспериментальные стенды исследования динамического закона трения с использованием модифицированного метода РСГ;

- экспериментальные стенды для измерения ударной вязкости;

- экспериментальные стенды для реализации баллистических ударных тестов, имитирующих простые сценарии соударения лопатки с корпусом.

Процедура настройки и верификации КЭС предусматривает построение соответствующих виртуальных стендов для согласования материальных откликов на локальных ТМС, реализуемых в расчете на экспертных виртуальных стендах. Результатами процедуры верификации и настройки модуля моделей материалов для титанового сплава ВТб являются:

- набор динамических диаграмм деформирования (рис. 2);

- критерий локального разрушения (максимальная интенсивность пластических деформаций еразр=0.1);

- параметры закона трения на контактных парах Ti-Ti (таблица 1), заданного в форме:

\

= 1ШП

"Vrf.DC

где уаь - относительная скорость скольжения контактных пар,

тп и р„ - тангенциальная и нормальная составляющие контактной силы.

Таблица 1.

ОС УС

0.5 0.25 0.1 7.55-108

0,04 0,06 Деформация, % Скорость деформаций, 1/с:

-0.0001 --«-0.001 0.01 -и-0.1 -

-1-

-ю-

-100-

-1000-

-10000

Рис. 2. Кривые динамического деформирования ВТб.

В третьей главе приводятся результаты численных расчетов на пробивание различных вариантов корпусов первой ступени компрессора низкого давления (КНД) при обрыве лопатой, проведенных в рамках сравнительного анализа. Выполнено сравнение результатов численного моделирования реального эксперимента по обрыву лопатки на разгонном стенде в ЦИАМ с натурным экспериментом. Результаты расчета приведены на рис. 3.

Жгв

ш

Рис. 3. Разрушение корпуса по результатам расчета

На рис. 4 приведены фотографии реального корпуса после испытаний на разгонном стенде.

Рис. 4. Характер разрушения реального корпуса

Несмотря на хорошее согласование натурного и виртуального экспериментов, нет оснований утверждать, что аналогичные расчеты всегда будут приводить к адекватным результатам. Этот подход может использоваться для предварительной оценки пробиваемости корпусов в тех случаях, когда не требуется априорная точность расчетов (таких как, сравнительный анализ различных конструкций).

По результатам проведенных расчетов выполнен анализ основных ТМС, реализующихся в процессе взаимодействия лопатки с корпусом. Можно утверждать, что практически на всем процессе реализуются простые траектории деформаций. Однако критический момент первой фрагментации лопатки, за которой следует второй удар, сопровождается быстрым изменением параметра вида напряженного состояния в области разрушения. Модели материала, основанные на теории течения с изотропным упрочением, могут неадекватно описывать такие процессы, поэтому для построения более точного решения задачи необходимо провести уточнение материального отклика на этом ТМС.

Далее рассмотрено несколько вариантов компоновок металлических корпусов, выбранных по результатам патентных исследований и исследований прочих источников.

Рис. 5а. Корпус с конической геометрией проточной части.

I

Л::.

Рис. 5в. Корпус с выпуклой геометрией.

Рис. 56. Корпус с рассекателями.

........ ,

з ........

Рис. 5г. Корпус с жестким бампером.

Рис. 5д. Корпус с двойной стенкой Рис. 5е. Корпус с амортизаторами.

На основе выбранных конструкций были построены геометрические модели корпусов и проведены численные расчеты, моделирующие процесс обрыва лопатки и последующего её взаимодействия с корпусом.

В результате расчетов для каждого из вариантов конструкций корпусов дано описание указанного процесса, сделаны выводы о пробиваемости той или иной конструкции, определены размеры трещин и областей вскрытия. В. таблице 2 приведены сводные данные по результатам проведенных расчетов.

Таблица 2.

Результаты расчетов различных вариантов корпусов._

Тип корпуса Пробивание Диаметр области вскрытия, мм

Традиционный нет 58

С рассекателями да 180

С выпуклой геометрией нет 59

С бампером да 310

С двойной стенкой да 410

С амортизаторами да Расслоение корпуса

Выполненные расчеты не подтвердили эффективность рассмотренных конструкций корпусов в обеспечении непробиваемости по сравнению с традиционным корпусом. Существенным недостатком всех предложенных схем является их ориентированность на конкретную реализацию процесса удара, в то время как в реальном процессе осуществляется множество ударов с различными параметрами.

По-видимому, наиболее эффективным вариантом конструкции корпуса ГТД может служить комбинированная слоистая конструкция с тонким металлическим слоем и системой слоёв из композиционных материалов, являющихся интенсивными поглотителями энергии удара. Однако, для проведения расчетов таких конструкций необходимо исследование свойств материалов рассматриваемой композиции.

В четвертой главе приведены результаты экспериментально-вычислительных исследований динамического поведения композиционного материала на основе многослойных органопластиковых полотен с пропиткой из нанокомпозитной жидкости (НЮК, ЭТР). НКЖ -композитный материал на основе наночастиц диоксида кремния, внедрённых в полимер - полиэтиленгликоль, который нетоксичен и стабилен в широком диапазоне температур. Целью исследований являлось построение математической модели композиции. С применением полученной модели выполнен сравнительный анализ энергоёмкости различных вариантов конструкций защитных оболочек.

В главе дается литературный обзор работ, посвященных исследованию свойств НКЖ, описывается её состав, способ изготовления и основные свойства, приводится описание модификации метода Кольского, применяемого для исследования динамических свойств мягких грунтов и слабоплотных материалов [4].

Исследование динамических свойств НКЖ проводилось на базе серий натурных и виртуальных верификационных испытаний.

Динамические натурные испытания проводились в НИИ Механики Нижегородского госуниверситета. Эксперименты включали две серии испытаний. Первая серия (испытуемый материал в жесткой обойме) - для определения объемной сжимаемости НКЖ (схема экспериментальной установки приведена на рис. 6, вторая (в мягкой обойме) - для определения сдвиговой вязкости (рис. 7). Условия эксперимента выбирались таким образом, чтобы реализовать практически интересующий диапазон изменения скоростей деформаций в НКЖ (от 200 до 2000 с"1).

— Натязшощий «фжеш, вй>

■ЯЙШЩ

гг [Ш

р Л А Г4Ч тййАЩ дофмг т Л* «м

Т^ЖГХ У—-—

УД-З^кйзг ' ш с

ТЗГ4 оя'р^юддау»

ЗзйШЕйй-

м.

СРу-Ц) л

Рис. б. Схема установки для определения объемной сжимаемости НКЖ.

Рис. 7. Схема установки для определения сдвиговой вязкости НКЖ.

Результаты испытаний в жесткой обойме при различных скоростях деформаций от 200 до 2500 с"1 показали, что напряженно-деформированное состояние в образцах соответствует состоянию всестороннего гидростатического сжатия. Экспериментальная диаграмма зависимости напряжений от деформаций приведена на рис. 8.

Рис. 8. Экспериментальная диаграмма связи между напряжением и объемной деформацией.

Связь между напряжением и объемной деформацией не зависит от скорости деформации и хорошо аппроксимируется квадратичным соотношением:

-р=кге+кгег

где р - гидростатическое давление, в - объемная деформация, ^=767 МПа, £;,=30000 МПа.

Для исследования сдвиговой вязкости НКЖ проводились эксперименты в мягкой обойме со скоростями деформаций 200, 500, 1000 и 2000 с"1. На рис. 9 изображены осредненные экспериментальные диаграммы напряжения (по показаниям тензометра на опорном стержне) от времени. После анализа результатов испытаний было сделано предположение, что характерный пик на графике - следствие высокой начальной неоднородности НДС в образце. Для подтверждения этой гипотезы были проведены виртуальные эксперименты по той же программе.

" -*-2001/с

-чг-ыдл/с / \ —♦—10001/с

Я Г 1 -е-20001/С

4Г г

а

а. 1 3 I / 1. V

я -з-

-10 ' » -1-1-1-и-,-{-,-, 10 30 50 70 90 110 130 150 Время, мкс

Рисунок 9. Экспериментальные диаграммы напряжения.

Виртуальные эксперименты проводились с использованием нелинейного кода ЬЭ-ВТОА. Для моделирования сдвиговых свойств НКЖ использовалась модель ньютоновой жидкости, записываемая в терминах девиаторов напряжений и скоростей деформаций в виде: ~ 2/иёи

Объемная сжимаемость задавалась с использованием квадратичной аппроксимации экспериментальных диаграмм испытаний в жесткой обойме по формуле - р = К}9 + К2в2.

Начальное значение сдвиговой вязкости получено путем осреднения

секущих модулей % экспериментальных диаграмм испытаний в мягкой обойме после исключения начального пика напряжений. В силу слабой зависимости сдвиговой вязкости от скорости деформаций в расчетах принималось осредненное значение сдвиговой вязкости равное 400 Па-с.

Программа виртуальных экспериментов состояла из серий расчетов на виртуальном стенде, воспроизводящем натурные испытания с образцами в мягкой обойме при скоростях уцарника 7.5, 15 и 30 м/с. При этом для лучшего согласования результатов натурных и виртуальных испытаний дополнительно варьировался коэффициент трения между образцом и стержнями (от 0 до 1).

Результаты виртуальных испытаний при различных скоростях деформаций при коэффициенте трения, равном 0.1 приведены на рис. 10.

а) Скорость деформаций 500 1/с б) Скорость деформаций 2000 1/с

Рис. 10. Диаграммы экспериментальной и расчетной зависимости напряжений от времени при различных скоростях.

Получено хорошее качественное соответствие результатов виртуальных и натурных испытаний. Наличие характерного пика напряжений в виртуальном эксперименте подтверждает высказанное предположение о наличии высокой начальной неоднородности НДС в образце, и, как следствие, возникновение пика на графиках экспериментальной зависимости. Небольшое рассогласование по времени, наблюдаемый на графиках, вызван, по-видимому, возможными микропустотами в коробке с жидкостью, наличием зазоров между торцами мерных стержней и наружными стенками коробки, а также погрешностями синхронизации.

Для сравнительной оценки энергоемкости преград из органопластика и композиции органопластик + НКЖ, а также для уточнения контактных условий между НКЖ и основой, были проведены натурные и виртуальные тесты на пробиваемость с пропитанной НКЖ и сухой органопластиковой преградой. Испытания проводились на образцах (преградах), прикрепленных к мастичному блоку при обстреле их металлическими шариками Протокол испытаний приведен в таблице 3.

Таблица 3.

Протокол ударных испытаний _

№ Скорость, Давление, Диаметр Глубина примечания

м/с атм отпечатка, мм отпечатка, мм

1 89.55 3 12.1 4 контрольный

2 93.75 3 13 3.4 пропитанный

4 90.91 3 12.4 4.3 контрольный

5 85.71 3 12.55 3.2 пропитанный

6 113.21 б 13.3 6.8 контрольный

7 107.14 б 13.6 4.2 пропитанный

8 107.14 6 13.3 6.2 контрольный

9 111.11 6 14.6 4.5 пропитанный

№ Скорость, Давление, Диаметр Глубина примечания

м/с атм отпечатка, мм отпечатка, мм

10 193.55 20 15.4 11.1 контрольный

11 187.5 20 16.8 8.5 пропитанный

3 89.55 3 10 9.2 без преграды

В связи с тем, что расчет трёхмерной задачи требует значительных вычислительных мощностей, в рамках данной работы моделирование ударных тестов проводилось в двухмерной постановке.

Для аттестации математической модели НЮК был построен виртуальный стенд, имитирующий ударный тест на пробиваемость пропитанного НЮК и сухого элемента многослойной защитной оболочки.

Виртуальные эксперименты проводились при помощи метода конечных элементов с применением нелинейного кода ЬЭ-БУЫА. Органопластиковые полотна моделировались упругим слоем, находящимся в состоянии плоской деформации. Модуль упругости полотна принимался равным модулю упругости нити (Кевлар), Е=124 ГПа. Разрушение полотна инициировалось путем удаления элементов с удлинением, превышающим 2.4%. Для моделирования НЮК применялась модель ньютоновой жидкости с параметрами, определенными по результатам испытаний по методу Кольского. Использовалось эйлерово представление конечно-элементной сетки. Процесс взаимодействия между НКЖ, волокнами, ударником и окружающей средой моделировался в обобщенной постановке Лагранжа-Эйлера. Дополнительно, между полотнами и жидкостью задавалось сухое трение, моделирующее трение между твердыми частицами НЮК и волокнами.

Защитная оболочка представляет собой 4 слоя органопластика толщиной 0.2 мм, погруженных в НКЖ. Для оценки энергоемкости элементов защиты были проведены виртуальные ударные тесты с пропитанной НКЖ и сухой многослойной защитной оболочкой. При этом взаимодействие между НКЖ и ударником моделировалось в обоих случаях, что позволяет исключить из сравнения потери энергии, связанные с инерционными явлениями. Варьировался коэффициент трения между слоями и НЮК от 0 до 1. Результаты расчетов приведены на рис. 11.

а - с пропиткой из НЮК б - без пропитки

Рис. 11. Характер разрушения защитной оболочки.

Энергоемкость оценивалась по степени уменьшения кинетической энергии ударника. Наилучший результат получен при коэффициенте

_ б - композиционная в -оболочка с НКЖ

а - титановая оболочка _

оболочка без пропитки. пропигкои.

Рис. 13. Пробивание элементов защиты

трения, равном 0.1. Худший - у непропитанного элемента. На рис. 12 представлены графики зависимости энергии ударника от времени при различных значениях коэффициента трения между НКЖ и полотнами. Разница в энергии составляет около 15%, что соответствует результатам натурных испытаний.

30

0 2 4 6 8 10 12

Время, мкс

Рис. 12. Зависимость кинетической энергии ударника от времени при различных значениях коэффициента трения.

Проведены виртуальные тесты на пробивание трёх вариантов защитных оболочек:

1) Ударный тест на пробивание титановой оболочки толщиной 2.2мм.

2) Тест на пробивание элемента защиты, состоящего из титанового слоя толщиной 1.4мм с 12-ю слоями органопластика толщиной 0.2мм, без пропитки НКЖ.

3) Тест на пробивание титанового слоя с 12-ю слоями органопластика с НКЖ пропиткой.

Результаты расчетов показаны на рис. 13.

-й-Без пропитки -*-0.1 —Ш-0.5 -&-0.9

Как известно, «схлоиывание» слоёв оболочки способствует ухудшению её защитных характеристик. Наличие НКЖ пропитки между слоями препятствует возникновению данного эффекта. Пропитка влияет также на величину прогиба титановой основы. Так, прогиб основы непропитанного элемента защиты составляет 13мм, пропитанного - всего Змм.

На рис. 14 изображены графики зависимости кинетической энергии ударника от времени для всех трёх видов защиты.

л 5Г М

¡3

*-в->Титан+Пропитанный пакет "^"Тш^ пакет

Время, мкс Рис. 14. Оценка энергоёмкости преграды.

Незначительная разница в значениях поглощенной энергии между чисто титановым элементом защиты и элементом защиты без пропитки обусловлена тем, что рассматриваемая задача исследуется в постановке, не учитывающей трение между волокнами внутри слоя.

Проведенные виртуальные ударные тесты на пробиваемость с пропитанными НКЖ и сухими элементами индивидуальной защиты показали большую эффективность первых. При этом улучшение эренгопоглащаюгцих способностей пропитанного элемента защиты обусловлено именно взаимодействием между волокнами композита и НКЖ. Для элементов защиты с титановой основой показано, что наличие НКЖ-пропитки в органопластиковом пакете позволяет не только увеличить энергоёмкость преграды, но и значительно уменьшить прогиб основы.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе и выносимые на защиту:

1. Применительно к динамическим процессам пробивания преград развит универсальный метод решения существенно нелинейных

контактных задач динамической прочности. Основные аспекты этого метода проиллюстрированы и реализованы на примере задачи о взаимодействии оторвавшейся рабочей лопатки ГТД с корпусом.

2. Разработана система специальных натурных и виртуальных верификационных экспериментов, воспроизводящих основные термомеханические состояния, реализуемые в процессе взаимодействия лопатки с корпусом.

3. В рамках предлагаемого подхода решен ряд практических задач о пробиваемости различных вариантов корпусов, проведены сравнения полученных результатов с натурным экспериментом.

4. Разработана . математическая модель перспективного композиционного материала на основе нанокомпозитной жидкости, определены параметры этой модели. По результатам проведенных натурных и виртуальных ударных тестов, показано, что тканые органопластиковые полотна с нанокомпозитной пропиткой обладают повышенными энергопоглащающими характеристиками в сравнении с непропитанными полотнами.

Список цитируемой литературы

1. Lee Y.S., Wagner N.J. Dynamic properties of shear thickening colloidal suspensions. Rheol. Acta. V.42. P.199-208. 2003.

2. Ильюшин A.A. Метод СН-ЭВМ в теории пластичности. Проблемы прикладной математики и механики. М.: Наука. 1971. С. 166178.

3. Васин P.A., Моссаковский П.А., Рязанцева М.Ю. Развитие экспериментально-вычислительного метода решения нелинейных задач механики. Сб. трудов Межд. н.-т. конф. «Инновации в машиностроении». 30-31 октября 2008. С.129-135.

4. Врагов A.M. Ломунов А.К. Сергеичев И.В. Модификация метода Кольского для исследования свойств малоплотных материалов при высокоскоростном циклическом деформировании. Прикладная механика и техническая физика. 2001. т.42. №6. с.199.

Основные результаты диссертации представлены в следующих работах:

1. Антонов Ф.К. О возможности улучшения защитных свойств многослойных преград при использовании связующих нового типа. Межвуз. Сб. Проблемы прочности и пластичности. Н. Новгород. Вып.72. С. 171-175.

2. Моссаковский П.А., Колотников М.Е., Антонов Ф.К. Исследование процесса пробивания многослойной преграды из тканого композита с нанокомпозитной пропиткой. Авиационно-космическая техника и технология. Т.67. №10. 2009. Харьков. С.151-155.

3. Моссаковский П.А., Колотников М.Е., Антонов Ф.К. Экспериментально-вычислительное исследование свойств

нанокомпозитной жидкости и её влияния на защитные характеристики многослойных преград из тканых композитов. Сб. трудов Межд. науч конф. «Современные проблемы математики, механики, информатики». 2327 ноября 2009. Тула. С.237-240.

4. Mossakovsky Р.А., Bragov A.M., Kolotnikov M.E., Antonov F.K. Investigation of the shear thickening fluid dynamic properties and its influence on the impact resistance of multilayered fabric composite barrier. Proc. 10th intl. LS-DYNA users conf., 2010. Dearborn. P. 5.33-5.43.

5. Антонов Ф.К. Влияние нанокомпозитной пропитки на пробиваемость многослойных преград из тканых композитов. Сб. трудов конференции-конкурса молодых ученых. 14-16 октября 2009. Москва. С.49-57.

6. Ломакин Е.В., Врагов A.M., Константинов А.Ю., Колотников М.Е., Моссаковский П.А., Костырева Л.А., Антонов Ф.К. Моделирование поведения титанового сплава ВТ20 при ударном взаимодействии. Вестник ННГУ. 2010. Н. Новгород, (принята к публикации).

7. Lomakin E.V., Mossakovsky P.A., Bragov A.M., Konstantinov A.Yu., Lomunov A.K., Kolotnikov M.E., Vakshtein M.S., Antonov F.K. Investigation of Impact Resistance of Multilayered Woven Composite Barrier Impregnated with the Shear Thickening Fluid. Archive of applied mechanics. 2010. (принята к публикации).

Подписано в печать 08.10.2010 Формат 60x88 1/16. Объем 1.0п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 871. Отпечатано в типографии «Гелиопринт» 119602 г. Москва, ул. Академика Анохина, д.42, корп.1

Основные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1 Актуальность проблемы и литературный обзор.

§ 1. Состояние проблемы.

§2. Цели и задачи исследования.

§3. Обзор конструктивных решений корпусов ГТД.

§4. Свойства применяемых материалов.

§ 5. Методики расчета на пробиваемость.

Глава 2 Экспериментально-вычислительный метод решения задач динамической прочности.

§1. Метод СН-ЭВМ.

§2. Термины и обозначения.

§3. Компьютерная экспертная система оценки пробиваемости корпусов ГТД.

§4. Верификационные испытания.

Глава 3 Численное моделирование пробивания корпусов

ГТД при обрыве лопатки.

§1. Численное моделирование обрыва лопатки по данным натурного эксперимента.

§2. Расчет на пробиваемость различных вариантов корпусов КНД.

§3. Выводы.

Глава 4 Исследование процесса пробивания многослойной преграды из тканого композита с нанокомпозитной пропиткой.

§ 1. Нанокомпозитная жидкость.

§2. Модифицированный метод Кольского для определения динамических свойств малоплотных и сыпучих материалов.

§3. Экспериментальное определение динамических свойств

§4. Баллистические испытания.

§5. Выводы.

Динамические процессы, связанные с пробиванием преград, с давних пор представляют особый интерес для ученых-механиков. Это обусловлено, прежде всего, большой практической важностью решения подобного рода задач, а также сложностью и многообразием явлений, сопровождающих такие процессы.

Задачи о пробивании преград возникают в широком круге областей науки и техники, таких как защитное вооружение и военная техника, строительная механика, механика природных процессов и горное дело, транспортная и. аэрокосмическая техника.

Так, одной из основных задач, которая ставится при проектировании современных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), является проблема обеспечения непробиваемости корпусов оторвавшимися фрагментами ротора. Именно поэтому среди критериев оценки надежности корпусов авиационных ГТД немаловажным является их способность к удержанию оборвавшихся элементов ротора и, в первую очередь, лопаток вентилятора.

Разрушение лопаток вентилятора может быть вызвано различными, как внутренними, так и внешними причинами. Среди основных причин можно выделить такие, как многоцикловая усталость, дефекты в материале, нежелательные остаточные напряжения, повреждения от воздействия попадающих в тракт двигателя посторонних предметов, а так же множество других факторов [53-58].

Разработано множество мероприятий, направленных на предотвращение обрыва лопаток, однако причины разрушения лопаток плохо поддаются прогнозам, и, зачастую, являются следствием воздействия случайных факторов.

Разрушение лопатки может приводить к различным опасным отказам, таким как вылет за пределы, корпусов* двигателя нелокализованных фрагментов лопатки, повреждению двигателя вследствие возникновения дисбаланса ротора и прочих разрушений, вызванных попаданием в тракт двигателя осколков лопатки. Наиболее опасным из таких отказов, очевидно, является пробивание корпусов двигателя фрагментами, обладающими высокой кинетической энергией. Такой сценарий может приводить к повреждению не только двигателя, но и всего воздушного судна. Поэтому нормативные технические документы по авиационным двигателям содержат требование об обязательной локализации в корпусах двигателя? фрагментов, образующихся при* разрушении рабочих лопаток турбомашин,[19-21].

Обеспечение и экспериментальное подтверждение соответствия этому требованию- связаны с большими затратами времени и средств. Разработано большое число конструктивных решений, призванных обеспечивать непробиваемость корпусов при обрыве лопатки [22-29]. Одной- из основных задач, которая ставится перед конструктором при разработке корпусов современных ГТД, является- обеспечение их непробиваемости при- минимальном веса конструкции. Поэтому в корпусах современных ГТД широко- применяются различные неметаллические конструкции (в том числе композиционные), что существенно усложняет оценку непробиваемости.

Значительное количество работ посвящено, разработке подходов к расчетной оценке непробиваемости корпусов на основе использования эмпирических соотношений или современных программных комплексов [2-3,9-12,32]. Тем не менее, известные в настоящее время методы решения этой задачи не позволяют надежно прогнозировать результат взаимодействия оторвавшегося фрагмента ротора с корпусом в условиях возрастающих требований к его точности. Это обстоятельство обусловлено сложностью и' многообразием термомеханических процессов, происходящих- при указанном взаимодействии, а так же сложностью конструктивных решений и разнообразием применяемых материалов.

Проблемы непробиваемости корпусов авиационных ГТД рассматривались в работах специалистов ЦИАМ [1-4] (Б.Ф. Шорра, Ю.А. Ножницкого, Т.Д. Каримбаева, B.C. Суржина, И.В. Демьянушко, JI.B. Антыпко, Н.Г. Бычкова, Г.В. Мельниковой, O.A. Москвитина, A.A. Луппова, А.Р. Лепешкина); ГП «Ивченко - Прогресс» [5-7] (В.А. Богуслаева, В.Б. Жукова, В.К. Яценко, СИ. Хоменко, A.B. Шереметьева); ФГУП ММПП «Салют» [8] (М;Е. Колотникова); ОАО «Авиадвигатель» [910] (И:Л.Гладкого, И:Л. Андрейченко); ОАО «НПО «Сатурн» [11-12] (Д.В. Габова, Ю.Н. Шмотина, О.Г. Дубянской); ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» [13-15] (Н.Д. Кузнецова, В.И. Цейтлина, Д.Г. Федорченко, Н.С. Кондрашова, A.B. Вигурского); ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского [16] (A.B. Чернова), НИИ"Механики МГУ [8,17] (P.A. Васина, П.А. Моссаковского) и ряда других отечественных и зарубежных авторов [22-43].

Сегодня разработка надежных и точных методов оценки непробиваемости является одним из приоритетных направлений в мировом авиадвигателестроении. Основой для построения этих методов является объединение экспериментальных методов исследования и технологий 3-х мерного компьютерного моделирования. В частности, в США, в рамках программы по предотвращению авиационных катастроф (Aircraft Catastrophic Failure Prevention Program [52]), патронируемой федеральным управлением авиации (FAA), и объединяющей всех крупнейших производителей авиационной техники, поставлена задача о разработке стандартного инструмента для анализа непробиваемости на основе нелинейного конечно-элементного кода 3-х мерного анализа DYNA3D [73]. Программой предусматривается проведение большого объема специальных натурных экспериментов, для настройки создаваемого инструментария [37,38].

В связи с этим, тема диссертации, посвященной исследованию динамических процессов пробивания преград с целью разработки надежной методики расчётной оценки непробиваемости корпусов, учитывающей особенности взаимодействия фрагментов ротора с корпусом, анализ реализующихся термомеханических процессов и особенности поведения материалов при указанных процессах, является, несомненно, актуальной.

Работа состоит из четырёх глав.

В первой главе из л агается со стояние проблемы, формулируются цель и задачи исследования. Подробно описываются существующие подходы к решению задачи об обеспечении непробиваемости. Отдельно рассмотрены существующие полуэмпирические расчетные методики и методики, основанные на применении вычислительных программных комплексов. Обоснована необходимость, разработки более надежных расчетных методик. Также проведен анализ существующих конструкций корпусов, обеспечивающих непробиваемость при обрыве лопатки: Обсуждены различные конструктивные решения и концепции; применяемые при создании- непробиваемых корпусов. Обоснована необходимость применения в конструкциях корпусов новейших композиционных материалов.

Вторая глава посвящена описанию метода решения существенно нелинейных краевых задач прочности, в основе которого лежит предложенный A.A. Ильюшиным аппроксимационный метод СН-ЭВМ [61]. Рассмотрено развитие этого метода [8,17,59] для решения динамических контактных задач, и, в частности, задачи о пробиваемости корпусов ГТД при обрыве лопатки. Построена итерационная экспериментально-вычислительная процедура, лежащая в основе этого метода. Предложен общий подход к реализации» серий испытаний, воспроизводящих характерные для данного класса задач термомеханические состояния и позволяющий строить аппроксимационные соотношения, определяющие материальный отклик на этих состояниях. Разработана процедура согласования результатов натурных и численных экспериментов.

В третьей главе приводятся результаты численных расчетов на пробивание различных вариантов корпусов первой ступени компрессора низкого давления (КНД) при обрыве лопатки, проведенных в рамках сравнительного анализа. По результатам проведенных расчетов сделан вывод о неэффективности сложных конструктивных решений для металлических корпусов. Выполнено сравнение результатов численного моделирования реального эксперимента по обрыву лопатки на разгонном стенде в ЦИАМ с натурным экспериментом [62]. Проведена классификация термомеханических состояний, реализующихся в процессе численного решения этой задачи.

В четвертой главе приведены результаты экспериментально-вычислительных исследований динамического поведения композиционного материала на основе многослойных органопластиковых полотен с пропиткой из нанокомпозитной жидкости (НКЖ). Целью исследований являлось построение математической модели композиции. С применением полученной модели выполнен сравнительный анализ энергоёмкости различных вариантов конструкций защитных оболочек. В главе дается литературный обзор работ, посвященных исследованию свойств НКЖ, описывается её состав, способ изготовления и основные свойства, приводится описание модификации метода Кольского, применяемого для исследования динамических свойств мягких грунтов и слабоплотных материалов. По результатам полученных решений дано обоснование целесообразности применения композиционных материалов в конструкции корпусов ГТД, обеспечивающих непробиваемости при обрыве лопатки.

Автор выражает глубокую благодарность за постоянную поддержку и содействие работе, за помощь и критические замечания во все время её написания научным руководителям — члену-корреспонденту РАН, доктору физ.-мат наук, профессору Ломакину Е.В. и кандидату физ.-мат. наук, доценту Моссаковскому П. А.

Неоценимую помощь при работе над диссертацией оказали замечания и пожелания, а так же постоянная поддержка научного консультанта, Генерального конструктора ФГУП «ММПП «Салют», доктора технических наук, профессора Колотникова М.Е.

Также автор выражает признательность сотрудникам лаборатории динамических испытаний Института механики Нижегородского госуниверситета: заведующему лабораторией, доктору технических наук, профессору Брагову A.M., доктору физ.-мат. наук, профессору Ломунову А.К., кандидату технических наук Константинову А.Ю. за предоставленные экспериментальные данные и всестороннюю помощь при написании работы.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе и выносимые на защиту:

1. Применительно к динамическим процессам пробивания преград развит универсальный метод решения существенно нелинейных контактных задач динамической прочности. Основные аспекты этого метода проиллюстрированы и реализованы на примере задачи о взаимодействии оторвавшейся рабочей лопатки ГТД с корпусом.

2. Разработана система специальных натурных и виртуальных верификационных экспериментов, воспроизводящих основные термомеханические состояния, реализуемые в процессе взаимодействия лопатки с корпусом.

3. В рамках предлагаемого подхода решен ряд практических задач о пробиваемости различных вариантов корпусов, проведены сравнения полученных результатов с натурным экспериментом.

4. Разработана математическая модель перспективного композиционного материала на основе нанокомпозитной жидкости.

Научная новизна работы состоит в реализации методики решения высоконелинелинейных контактных задач динамической прочности, в основе которой лежит предложенный A.A. Ильюшиным аппроксимационный метод СН-ЭВМ. Рассмотрена адаптация этого метода применительно к задачам динамического пробивания преград. Реализована процедура классификации характерных для этого класса задач термомеханических состояний. Разработан методический подход к проведению серий натурных и виртуальных верификационных испытаний, воспроизводящих характерные термомеханические состояния и позволяющий строить аппроксимационные соотношения, определяющие поведение материала на этих состояниях. Построена итерационная экспериментально-вычислительная процедура, лежащая в основе предлагаемой методики. Исследованы динамические свойства титанового сплава ВТ6, получены данные по динамическим кривым деформирования, параметрам разрушения и динамического трения.

Проведен численный анализ пробиваемости различных вариантов конструктивных решений для корпусов газотурбинных двигателей. Сделан важный практический вывод об относительной неэффективности сложных конструктивных решений в обеспечении непробиваемости по сравнению с традиционным цилиндрическим или коническим корпусом. Доказано, что наиболее эффективным вариантом конструкции корпуса является слоистая конструкция с тонким металлическим слоем и системой слоёв из композиционных материалов. Проведено исследование по изучению динамических свойств перспективного композиционного материала на основе нанокомпозитной жидкости (НКЖ). Впервые доказана возможность представления НКЖ моделью Ньютоновой жидкости, определены параметры этой модели. Показана ключевая роль контактных условий в механизме увеличения энергоемкости многослойной преграды из органопластиковых полотен с нанокомпозитной пропиткой.

Предложенный в диссертации подход может быть использован при разработке корпусов газотурбинных двигателей, обеспечивающих непробиваемость при обрыве лопатки и других конструкций сходного назначения. Результаты диссертации могут быть полезны ученым и инженерам, работающим в области машиностроения. Разработанный подход используются на ФГУП «ММПП «Салют» при проектировании корпусов вентиляторов перспективных двигателей.

Заключение

Проведена комплексная научно-исследовательская работа, посвященная экспериментальному исследованию и численному моделированию динамических процессов пробивания преград.

1. Антыпко JI.B, Метод расчетно-эксперименталъной оценки непробиваемости корпусов ГТД // Новые технологические процессы и надежность ГТД. 2008. Вып.8. - С. 97-114.

2. Балуев Б.А., Бычков Н.Г., Лаврентьева М.А., Лепешкин А.Р., Першин A.B., Цыкунов Н.В // Термоупрвляемый обрыв рабочих лопаток ТГД при испытаниях корпусов на непробиваемость. Новые технологические процессы и надежность ГТД. 2008. Вып.8. - С. 148-162.

3. Каримбаев Т.Д., Луппов A.A. Исследование кинематики взаимодействия оборвавшейся лопатки вентилятора с деталями и узлами тракта ГТД методом конечных элементов в пакете LS-DYNA // Новые технологические процессы и надежность ГТД. 2008. Вып.8. - С. 85-96.

4. Москвитин O.A., Шорр. Б.Ф. Пространственное моделирование процесса пробивания корпусных элементов двигателя оборвавгиимися деталями. Тезисы докладов XXVIII Международного НТС по проблемам прочности двигателей. М:. 2002. С. 60-61.

5. Жуков В.Б. Расчет кольцевой защиты при разрушении роторов ГТД//Проблемы прочности. -1979. №1. С. 23-28.

6. Жуков В.Б., Хоменко С.И., Шереметьев A.B. Расчет корпусов ГТД на непробиваемость при разрушении дисков // Вестник двигателестроения. -2002. №1. С. 56-59.

7. Шереметьев A.B., Жуков В.Б., Хоменко С.И. Обоснование прочности и непробиваемости корпусов авиационных ГТД при разрушении фрагментов роторов // Новые технологические процессы и надежность ГТД. 2008. Вып.8. - С. 134-142.

8. Дубянская О.Г., Колотников М.Е., Моссаковский П.А. Новый подход к оценке пробиваемости корпусов ГТД элементами ротора //

9. Новые технологические процессы и надежность ГТД. 2008. Вып. 8. - С. 38-62.

10. Гладкий И.Л., Андрейченко И.Л. Подходы к региению проблемы локализации фрагментов разрушившихся роторов, реализованные на ОАО «Авиадвигатель» //Новые технологические процессы и надежность ГТД. -2008. Вып. 8. С. 120-133.

11. Гладкий И.Л. Исследование последовательности обрыва лопаток ГТД методом конечных элементов // Вестник ПГТУ. Динамика и прочность машин. —2003. №4. С. 125-130.

12. Габов Д.В., Шмотин Ю.Н., Сухорукое О.В. Расчет эффективной толщины корпуса вентилятора двигателя летательного аппарата //Новые технологические прог^ессы и надежность ГТД. 2008. Вып. 8. - С. 115-119.

13. Шмотин Ю.Н., Рябов A.A., Габов Д.В., Куканов С.С. Численное моделирование обрыва лопатки вентилятора // Авиационная и космическая техника и технология. — 2005. №9.

14. Кондрашов Н.С. О взаимодействии оторвавшейся лопатки и броневого кольца//Проблемы порочности. -1983. №3. С. 53-57.

15. Кондрашов Н.С. Некоторые аспекты проблемы непробиваемости при обрыве рабочих лопаток. Проектирование и доводка авиационных двигателей / Сборник научных трудов. Куйбышев.: КуАИ. -1984. С. 113-124.

16. Федорченко Д.Г., Вигурскгш A.B. Экспериментальные методы оценки непробиваемости корпусов ГТД при разрушении элементов ротров // Новые технологичесике процессы и надежность ГТД. 2008. Вып. 8. - С. 143-147.

17. Чернов A.B. Численное моделирование процесса удара нелокализованных обломков двигателя по конструкции самолета // Новые технологичесике процессы и надежность ГТД. 2008. Вып. 8. - С. 63-84.

18. Васин Р.А., Моссаковский П.А., Рязанцева М.Ю. Развитие экспериментально-вычислительного метода решения нелинейных задач механики. Сб. трудов Межд. н.-т. конф. «Инновации в машиностроении». 30-31 октября 2008. С. 129-135.

19. ГНЦ РФ ЦИАМ им. П.И. Баранова. Нормы прочности авиационных газотурбинных двигателей гражданской авиации. Изд. 6. Под ред. Ю.А. Ножницкого. М.: - 2004. - 260с.

20. Авиационные правила 33. Нормы летной годности двигателей воздушных судов. М.: МАК. 2004. С. 43с.

21. Federal Aviation Administration. Airworthiness Standards: Aircraft Engine Standards for Engine Life-Limited Parts. 14 CFR Part 33.

22. European Aviation Safety Agency. Certification Specifications for Engines. CS-E. P. 150.

23. Carney K.S., Pereira J.M., Revilock D.M., Matheny P. Jet engine fan blade containment using two alternate geometries // International Journal of Impact Engineering. 2009. Vol.36. Issue 5. P. 720-728.

24. Gundersen C.O. Study to Improve Airframe Turbine Engine Rotor Blade Containment. FAA-RD-77-44. 1977

25. Heerman K.F., McClure K.R., Ericsson R.H. Study to Improve Turbine Engine Rotor Blade Containment. FAA-RD-77-100. 1977.

26. Lane A.D. Development of an Advanced Fan Blade Containment System. DOT/FAA/CT-89/20. 1989.

27. Le. D.D. Evaluation of Lightweight Material Concepts for Aircraft Turbine Engine Rotor Failure Protection. DOT/FAA/AR-96/110. 1996.

28. Pepin J. Fiber-reinforced structures for turbine engine rotor fragment containment. DOT/FAA/AR-99/6. 1999.

29. Shockey D.A., Erlich D.C., Simons J.W. Lightweight Fragment Barriers For Commercial Aircraft. 18th International Symposium on Ballistics. San Antonio. TX. 15-19 November 1999. P. 1192-1199.

30. Shockey D.A., Erlich D.C. Simons J.W., Shin H.-S. Improved-Barriers to Turbine Engine Fragments: I-IV. Final Report. DOT/FAA/AR-99/8. 1999.

31. General Electric Aircraft Engines. Smart Fan Containment System. NASA/CR—2005-213969. 2005.

32. Roberts G.D., Revilock D.M:, Binienda W.K., Nie W.Z: Mackenzie S.B., Todd K.B. Impact Testing and Analysis of Composites for Aircraft Engine Fan Cases. NASA/TM—2002-211493. 2002.

33. Sharda. J., Deenadayalu. C., Mobasher. B., and Rajan S. D: Modeling of Multi-Layer Composite Fabrics for Gas Turbine Engine Containment Systems // ASCE Journal of Aerospace Engineering. 2006. Vol, 19. No. 1. P. 38-45.

34. Shockey D.A.,Erlich D.C., Simons J.W. Full-Scale Tests of Lightweight Fragment Barriers on Commercial Aircraft. DOT/FAA/AR-99/71. 1999.

35. Lundin S.J; Advanced Aircraft Materials Penetration Testing. Naval; Air Warfare Center. China Lake: Draft Report v6. 2002.

36. Lundin S.J. Engine Debris Fuselage Penetration Testing. Phase I. FAA Report DOT/FAA/AR-01/27. August 2001.

37. Lundin S.J. Engine Debris Fuselage Penetration Testing. Phase II. DOT/FAA/AR-Ol/27. II. Sept. 2002.

38. Franeknberger C.E. Small-Engine Uncontained Debris Analysis. DOT/FAAJAR-99/7. 1999.

39. Franeknberger C.E. Small-Engine Uncontained Debris Analysis. DOT/FAA/AR-99/7. 1999.

40. Payen. J.M. Containment of Turbine Engine Fan Blades. Symposium papers of 6th International Symposium on Air Breathing Engines. Paris. -1983. A83-35801 16-07. AIAA. P. 611-616.

41. Revilock D.M., Pereira J.M. FAA Development Of Reliable Modeling Methodologies For Fan Blade Out Containment Analysis Part 2 Ballistic Impact Testing // International Journal of Impact Engineering. — 2009. Vol.36. Issue 1. P. 1-11.

42. Seng S., Manion J., Frankenberger C. Uncontained Engine Debris Analysis Using the Uncontained Engine Debris Damage Assessment Model. DOT/FAA/AR-04/16. 2004

43. United States patent No. 5.823.739. Containment case for a turbine engine. United Technologies corp. 1998.

44. United States patent No. 6.149.380. Hardwall fan case with structured bumper. Pratt &. Whitney Canada corp. 2000.

45. United States patent No. 6.206.631. Turbomachine fan casing with dual-wall blade containment structure. General Electric Company. 2001.

46. United States Patent No. 7.338.250. Gas turbine engine blade containment assembly. Rolls-Royce pic. 2008.

47. Edwards J., Winner W.A. JTCG/ME: Target Studies and Fragment Penetration. U.S. Army Research Laboratory (Arl) August 16. 2002.

48. Hayashida K.B., Robinson J.H. Single Wall Penetration Equations. NASA TM-103565.

49. Federal Aviation Administration. "FAA/SAE Committee on Uncontained Turbine Engine Rotor Events Data Period 1976 Through 1983." Aerospace Information Report. Report No. AIR4003.

50. Federal Aviation Administration. 'FAA/SAE Committee on TJncontained Turbine Engine Rotor Events Data Period 1984 Through 1989. " Aerospace Information Report. Report No. AIR4770. 20 July 1994.

51. All.f. Aircraft Catastrophic Failure Prevention Research. National Aviation Research Plan (NARP). P. A-32. Federal Aviation Administration. February 2008.

52. Акимов B.M. Основы надежности газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981. 207с.

53. Биргер И.А., Свищев Г.П. Надежность и Ресурс авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1969. 540с. ДСП.

54. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Демьянушко И.В. Теромпрочностъ деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. — 455с.

55. Биргер И.А., Балашов Б.Ф., Дулънев Р.А. Конструкционная прочность материалов и деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1981. — 222с.

56. Серенсен С.В. Сопротивление материалов усталостному и квазихрупкому разрушению. М: Атомиздат, 1975. 191с.

57. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1993. — 240с.

58. Моссаковский.П.А. О новом методе решения задач динамической прочности. Сб. трудов Межд. Симп. по проблемам механики деформируемых тел. М.: ЛЕНАНД, 2006. С. 468-469.

59. Моссаковский. П.А. Расширенные постулаты теории упругопластических процессов и их следствия // Упругость и неупругость. М.: 2001. С. 219-223.

60. Ильюшин А.А. Метод СН-ЭВМ в теории пластичности. Проблемы прикладной математики и механики. М.: Наука, 1971.

61. Балуев Б.А. Разработка метода обеспечения управляемого обрыва лопатки турбокомпрессора при проведении сертификационныхиспытаний на непробиваемость корпусов: Дисс. Канд. техн наук. Москва.2009. 110с.

62. Динамика удара: Перевод с англ. / Под ред. Зукас Дж. А., Николас Т., СвифтХ.Ф. и др. М.: Мирб 1985. - 296с.

63. Кольский Г. Исследования механических свойств материалов при больших скоростях нагружения // Механика. Вып. IV. - М.: ИЛ, 1950.- С. 108-119.

64. Николас Т. Поведение материалов при высоких скоростях деформаций // Динамика удара. Под. Ред. Зукаса Дж. и др. М.: Мир, 1985.- С. 198-256.

65. Васин Р.А., Ленский B.C., Ленский Э.В. Динамические зависимости между напряжениями и деформациями // Новое в зарубежной науке. 5. Проблемы динамики упругопластических сред. М.: Мир, 1975. С. 7-38.

66. Каримбаев Т.Д., Мамаев Ш. Параметры материалов, чувствительные к скоростям деформаций // Новые технологические процессы и надежность ГТД. 2008. Вып. 8. - С. 7-37.

67. Киселев А.Б. Динамические Процессы Необратимого Деформирования и Разрушения Твердых Тел // Математическое моделирование. 200. Т. 12. № 6.

68. Gruheisen Е. Ann de Physik. 1907. Vol.52. 801р.

69. Whirley R.G. Englemann B.E. DYNA3D User Manual. UCRL-MA-107254 Rev. 1. November 1993.

70. Johnson G.R., Cook W.H. Fracture Characteristics of Three Metals Subjected to Various Strain. Strain Rates. Temperatures and Pressures // Engineering Fracture Mechanics. 1985. Vol. 21. No 1. P. 31-48.

71. Steinberg D.J., Cochran S.G., Guinan M.W. A Constitutive Model for Metals Applicable at High-Strain Rate. Lawrence Livermore National Laboratory. UCRL-80465. Revision 2. 1979.

72. Zerilli F.J., Armstrong R. W. Dislocation-Mechanics-based Constitutive relations for Material Dynamics Calculations // Journal of Applied Physics. 1987. Vol. 61. No.5. P.1816-1825.

73. Gurson A.L. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth part I. Yield criteria and flow rules for porous ductile media. J. Engrg. Mater. Technol. 1977. Vol.99. P.2-15.

74. Tvergaard V. Influence of voids on shear band instabilities under plane strain conditions //Int. J. Fract. 1981. Vol. 17. P. 389-407.

75. Carney K.S., DuBois P.A., Buyuk M., Kan S. Generalized, Three-Dimensional Definition, Description, and Derived Limits of the Triaxial Failure of Metals//J. Aerosp. Engrg. 2009.Vol. 22. Issue 3. P. 280-286.

76. Lindholm U.S., Yeakley L.M. High strain-rate testing: tension and compression //J. Exp.Mech. 1968. Vol.8. No 1. P. 1-9.

77. Johnson G.R., Holmquist T.J. Test Data and Computational Strength and Fracture Model Constants for 23 Materials Subjected to Large Strains. High Strain Rates and High Temperatures. Los Alamos National Laboratory. LA-11463-MS. 1989.

78. NaikN.K. Shrirao P. Composite structures under ballistic impact // Composite Structures. 2004. Vol.66. Issues 1-4. P. 579-590.

79. Rao M.P., Keefe M., Powers B.M., Bogetti T.A. A Simple Global/Local Approach to Modeling Ballistic Impact onto Woven Fabrics. 10th International LS-DYNA Users Conference. 2008. P. 9-55-9-66.

80. Roy lance D., Wang S.-S. Influence offibre properties on ballistic penetration of textile panels. Fibre Scince and Technology. 1981. Vol.14. P. 183-190.

81. Silvaa M.A.G., Cisma-siua C,. Chiorean C.G. Numerical simulation of ballistic impact on composite laminates // International Journal of Impact Engineering. 2005. Vol.31. P. 289-306.

82. Tabiei A., Nilakantan G. Ballistic Impact of Dry Woven Fabric Composites: A Review //Applied Mechanics Reviews. 2008. Vol.61. P. 1-12.

83. Duan Y., Keefe M., Wetzel E.D., Bogetti T.A., Powers B., Kirlcwood J.E., Kirkwood K.M. Effects of friction on the ballistic performance of a high-strength fabric structure // WIT Transactions on Engineering Sciences. 2008. Vol 49. P. 219-229.

84. Cheng M., Chen W. Weerasooriya T. Experimental investigation of the transverse mechanical properties of a single Kevlar KM2 fiber // International Journal of Solids and Structures. 2004. Vol.41. P.' 6215-6232.

85. Kalman D.P., Schein J.B. . Houghton J.M., Laufer C.H.N., Wetzel E. D., Wagner N. J. Polymer Dispersion-Based Shear Thickening Fluid-Fabrics for Protective Applications. Proceedings ofSAMPE. Baltimore MD. 2007.

86. Lee Y.S., Wetzel E.D., Egres Jr. R.G., Wagner N.J. Advanced Body Armor Utilizing Shear Thickening Fluids. Proceedings of the 23rd Army Science Conference. Orlando. FL. December 2-5. 2002.

87. Lee Y. S,. Wetzel E. D., Egres Jr. R.G., Wagner N. J. The ballistic impact characteristics of Kevlar woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid// J. Mat. Sci. 2003. Vol.38(13) P.2825-2833.

88. Wetzel E.D., Egres Jr R.G., Lee Y.S., Kirkwood J.E., Kirkwood KM., Wagner N.J. The Effect of Rheological Parameters on the Ballistic

89. Properties of Shear Thickening Fluid (STF)-Kevlar Composites. Proceedings of the 8th International Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Processes. Columbus. OH. June 13-17. 2004.

90. Houghton J.M., Schiffman B.A, .Kalman D.P., Wetzel E.D., Wagner N.J. Hypodermic Needle Puncture of Shear Thickening Fluid (STF)-Treated Fabrics. Proceedings ofSAMPE. Baltimore MD. 2007.

91. Duan Y., Keefe M., Wetzel E.D., Bogetti T.A., Powers B., Kirkwood J.E., Kirkwood K.M. Effects of friction on the ballistic performance of a high-strength fabric structure // WIT Transactions on Engineering Sciences. Vol 49. P. 219-229.

92. Lee Y.S., Wagner N.J. Dynamic properties of shear thickening colloidal suspensions //Rheol. Acta. 2003. Vol.42. P. 199—208.

93. Maranzano B.J., Wagner N.J. The effects of particle size on reversible shear thickening of concentrated colloidal dispersions // Journal of Chemical Physics. 2001. Vol.114. № 23. P.10514-1527.

94. Hecht M., Harting J. Structural Transitions in Colloidal Suspensions. High Performance Computing in Science and Engineering. Transactions of the High Performance Computing Center. Stuttgart (HLRS). 2007. P.45-65.

95. Lee Y.S., Wagner N.J. Rheological Properties and Small-Angle Neutron Scattering of a Shear Thickening. Nanoparticle Dispersion at High Shear Rates//Ind. Eng. Chem. Res. 2006. Vol.45. P. 7015-7024.

96. So J.-H., Yang S.-M., Hyun J.C. Micro structure evolution and rheological responses of hard sphere suspensions // Chemical Engineering Science. 2001. Vol. 56. P.2967-2977.

97. Melrose JR. Distributions of forces and 'hydrodynamic clustering' in a shear thickened colloid // Cond-Mat.Soft. 2000.

98. Fritz G., Maranzano В .J., Wagner N.J., Willenbacher N. High frequency rheology of hard sphere colloidal dispersions measured with a torsional resonator // J. Non-Newtonian Fluid Mech. 2002. Vol.102. P. 149-156.

99. Chellamuthu M., Arndt R.M., Rothstein J.P. Extensional rheology of shear-thickening nanoparticle suspensions // Soft Matter. 2009. Vol.5. P.2117-2124.

100. Врагов A.M., Ломунов A.K. Использование метода Кольского для динамических испытаний конструкционных материалов: Прикладные проблемы прочности и пластичности: Всесоюз. межвуз.сб. / Нижегородский ун-т. 1995. № 51. С. 127-137.

101. Врагов A.M., Ломунов А.К., Медведев А.А. Модификация метода Кольского для динамических циклических испытаний материалов: Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы решения. Всесоюз. межвуз. сб. /Горьк.ун-т. 1987. С.90-95.

102. Кольский Г. Волны напряжения в твердых телах. М.: ИЛ, 1955.

103. Врагов A.M., Константинов А.Ю., Ломунов А.К. Способ определения динамического коэффициента трения на основе модифицированного метода Кольского // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. Вып. 10. С.69-72.

104. Врагов A.M. Ломунов А.К. Сергеичев ИВ. Модификация метода Кольского для исследования свойств малоплотных материалов при высокоскоростном циклическом деформировании // Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т.42. №6. С. 199.

105. LS-DYNA: Theory Manual/ ed. Hallquist. J.О. 2008.

106. Van Leer В., Towards the Ultimate Conservative Difference Scheme. IV. A New Approach to Numerical Convection // J. Computational Physics. 1977. Vol.23. P. 276-299.

107. Брагов A.M., Ломунов А.К. Патент РФ №1314253. Устройство для исследования эффекта Баушингера при высокоскоростном деформировании твердых тел. БИ№20. 1987.

108. Моссаковский П.А., Колошников М.Е., Антонов Ф.К. Исследование процесса пробивания многослойной преграды из тканого композита с нанокомпозитной пропиткой // Авиаг^ионная и космическая техника и технологии. 2009. № 5. С. 16-18.

109. Антонов Ф.К. О возможности улучшения защитных свойств многослойных преград при использовании связующих нового типа // Межвуз. Сб. Проблемы прочности и пластичности. Н. Новгород. Вып. 72. С. 171-175.

110. Антонов Ф.К. Влияние нанокомпозитной пропитки на пробиваемость многослойных преград из тканых композитов. Сб. трудов конф.-конкурса молодых ученых. М.: 14-16 октября 2009. С.49-57.