Энергоемкость вращающихся дисков со спицами-хордами из композитов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Работа посвящена оценке эффективности использования кольцевых систем со спицами-хордами из композитов в качестве энергоемких элементов инерционных накопителей энергии - маховиков. Композиты на основе высокопрочных волокон являются наиболее перспективными материалами для роторов маховиков, разработка которых является основным вопросом в технической проблеме создания инерционного накопителя энергии. Композиты в качестве материалов для маховиков обладают двумя основными преимуществами по сравнению с металлами: высокой удельной прочностью при нагружении вдоль волокон и, в правильно спроектированной конструкции, относительно безопасным (безосколочным) характером разрушения. Маховики из ком-позитоы получаются легкими и накапливают энергию за счет высоких скоростей вращения.

Испытания моделей и опытных конструкций показали, что практически достигнутая энергоемкость маховиков еще далека от потенциальных возможностей композитов. Создание эффективных конструкций маховиков из композитов оказалось невозможным без преодоления проблем, связанных с преждевременным разрушением этих материалов от поперечного отрыва. Это сделало необходимым рассмотрение различных типов вращающихся конструкций из композитов и оценку целесообразности их использования в качестве энергоемких элементов маховиков. К настоящему времени достаточно полно изучены вращающиеся диски и оболочки, выявлены их достоинства и недостатки в качестве накопителей энергии. Анализ показал, что наиболее эффективным энергоемким элементом маховика из композита в настоящее время является свободно вращающийся толстостенный обод, образованный окружной намоткой. Он совмещает простоту изготовления с высокими значениями не только массовой, но и объемной энергоемкостей.

Трудность соединения его с валом может быть преодолена использованием кольцевой системы из обода и ступицы, соединенных спицами-хордами из однонаправленного композита, охватывающими обод по периферии. Такие конструкции можно целиком изготавливать наиболее перспективным способом переработки композитов - намоткой.

Отдельные успешные результаты испытаний кольцевых систем из композитов, в том числе и со спицами-хордами, доказывают перспективность этого типа конструкций. Гибкость конструкции (большое число легко регулируемых параметров: рисунок системы спиц и их относительная толщина, относительная толщина обода, возможность использования различных сочетаний материалов) открывает широкие возможности для ее оптимизации. Работы в этом направлении сдерживаются отсутствием методов расчета напряженного состояния вращающихся кольцевых систем, включающих толстостенный обод и систему спиц-хорд из композитов.

Необходимость обеспечить равновесие нити на поверхности оправки приводит к задачам определения законов движения нитеуклад-чика при намотке по геодезическим линиям и с учетом сил трения. В работе изучены основы механики намотки кольцевых систем (так называемая хордовая намотка), разработаны методы их расчета при равномерном вращении и торможении, исследована энергоемкость и предельная мощность при съеме энергии, описаны результаты испытаний модельных образцов, дано сопоставление разработанных методов расчета с экспериментом.

Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе дан обзор литературы. Во второй главе решена задача о равновесии нити при хордовой намотке. В третьей главе приведены методы расчета напряженно-деформированного состояния кольцевой системы. В четвертой главе исследована энергоемкость и мощность хордового маховика.

- б

Выводы

Детальные выводы сделаны по каздой главе. В целом по работе можно сформулировать следующие основные выводы.

1. Определены условия равновесия при хордовой намотке на гладкую оправку и с учетом трения; получены реализующие эти условия законы движения нитеукладчика по прямолинейной и круговой траекториям, определены оптимальные параметры настройки кулисного механизма привода движения нитеукладчика.

2. Разработаны инженерные методы расчета кольцевых систем, нагруженных инерционными силами от равномерного вращения и ускорения; их работоспособность подтверждена экспериментально и расчетами по уточненной модели.

3. Исследованы удельные характеристики энергоемкости кольцевых систем с радиальными спицами, определены их оптимальные начальное напряженное состояние и сочетание механических свойств элементов системы.

4. В широком диапазоне параметров проведен численный анализ энергоемкости кольцевых систем со спицами-хордами, определены их оптимальные геометрические характеристики. Показано, что при изготовлении элементов кольцевой системы из рассмотренных типов современных композитных материалов не удается превысить массовой энергоемкости однородной конструкции.

5. Все предложенные методы расчетов кольцевых систем реализованы в виде программ на языке ПЛ/1 и использованы'в ряде организаций при оптимальном проектировании хордовых маховиков; их применение позволило получить существенный экономический эффект, подтвержденный документами о внедрении.

1. Бейль А.И., Кулаков В.Л., Портнов Г.Г. Энергоемкость предварительно напряженных маховиков из композитов, изготовленных намоткой. - Механика композитных материалов, 1981, № б, с. 1055-1060.

2. Боков Ю.В., Васильев В.В., Портнов Г.Г. Оптимальные формы и траектории армирования вращающихся оболочек из композитов. -Механика композитных материалов, 1981, № 5, с. 846-854.

3. Болотин В.В.Влияние технологических факторов на механическую надежность конструкций из композитов. Механика полимеров, 1972, № 3, с. 529-540.

4. Васильев В.В., Поляков В.И., Портнов Г.Г., Боков Ю.В. Оптимальная вращающаяся оболочка из композита, наполненная жидкостью. -Механика композитных материалов, 1982, № I, с. 85-92.

5. Воропаев В.И., Портнов Г.Г., Селезнев Л.Н. Экспериментальная оценка энергоемкости маховиков из композитов. Механика композитных материалов, 1982, № I, с. 159-163.

6. Гулиа Н.В. Маховичные двигатели. М.: Машиностроение, 1976. -163 с.

7. Гулиа Н.В. Накопители энергии. М.: Наука, 1980. - 151 с.

8. Гулиа Н.В., Очан М.Ю., Юдовский И.Д. 0 разрушении размоткой ленточных композитных маховиков. Механика композитных материалов, 1981, № 3, с. 549-552.

9. Добровольский А.К., Костров В.И. К вопросу о методике расчета характеристик геодезической намотки стеклопластиковых оболочек вращения. Механика полимеров, 1970, № 6, с. 1020-1025.

10. Кайзер А.К. Равнонапряженный вращающийся диск, навитый из волокон. Ракетная техника и космонавтика, 1955, № 7,с. 127-131.

11. Колобов Е.М., Тимаков А.М., Яценко Е.А., Егоренков И.А., Фрикционные и реологические свойства плоской пряди пропитанных связующим стеклонитей. Механика полимеров, 1976, № I, с. 166-170.

12. Кристенсен Р. Введение в механику композитов.-М.:Мир, 1982.334 с.

13. Кулаков В.Л. Управление энергоемкостью вращающихся дисков из композитов. Дисс. . канд.техн.наук. - Рига, 1981. - 189 с.

14. Кулаков В.Л., Портнов Г.Г. Уточненный расчет вращающихся дисков из композитов. Механика композитных материалов, 1981, № 2, с. 267-272.

15. Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. - 520 с.

16. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. 2-е изд.перераб. и доп. - М.: Наука, 1977. - 416 е.,ил.

17. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление жестких полимерных материалов. 2-е изд. перераб. и доп. Рига: Зинатне, 1972. - 498 с.

18. Минаков А.П. К вопросу о равновесии идеально-гибкой нити на шероховатой поверхности. Ученые записки МГУ, 1951, вып. 154, тЛУ, с. 241-266.

19. Моорлат П.А. Несущая способность хордовых маховиков из композитов. У Всесоюзная конф. по механике полимерных и композитных материалов. Тезисы докладов. Рига. ИМП, 1983, с. 126.

20. Моорлат П.А. Хордовые маховики из композитов. Тезисы докладов Ш конференции молодых ученых и специалистов по механике композитных материалов. Рига: Зинатне, 1981, с. 73-74.

21. Моорлат П.А., Портнов Г.Г. Расчет напряженно-деформированного состояния хордового маховика со спицами. Механика композитных материалов, 1983, № 5, с. 853-862.

22. Моорлат П.А., Портнов Г.Г. Энергоемкость маховика. Механика композитных материалов (в печати).

23. Моорлат П.А., Портнов Г.Г., Ромашко В.И., Рязанов А.П. Способ анализа режима торможения маховиков из композитов. Механика композитных материалов (в печати).

24. Моорлат П.А., Портнов Г.Г., Селезнев Л.Н. Равновесие нити с учетом трения при хордовой намотке дисков из композитов. -Механика композитных материалов, 1982, № 5, с. 859-864.

25. Моорлат П.А., Портнов Г.Г., Селезнев Л.Н. Рисунок укладкии равновесие нити при хордовой намотке дисков из композитов. -В кн.: Механика композитных материалов. Рига: РПИ, 1982, с. 83-93.

26. Николаев В.П., Попов В.Д., Сборовский А.К. Прочность и надежность намоточных стеклопластиков. Л.: Машиностроение, 1983. -187 с.

27. Парнес М.Г. Расчет и конструирование намоточных станков. М.: 1975. 296 с.

28. Поляков В.А., Портнов Г.Г., Моорлат П.А. Напряженное состояние и энергоемкость вращающихся оболочек из композитов, намотанных по геодезическим траекториям. Механика композитных материалов, 1983, № 6, с. 1044-1056.

29. Попов Е.П. Нелинейные задачи статики тонких стержней. М.-Л.: ГИТТЛ, 1948. - 170 с.