Исследование теплового и напряженно-деформированного состояния оболочечных конструкций с наполнителем тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

УДК 620.1:539.4:539.214 С^иА^

Селиванов Михаил Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С НАПОЛНИТЕЛЕМ

Специальность: 01.02.06. Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0034530Э6

Ижевск — 2008 г.

003453096

Работа выполнена в ФГУП ОКБ «ТЕМП» ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Серебренников С.Ю.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Ефимов И.Н.

к.т.н.

Журавлёв В.Л.

Ведущее предприятие:

Пермский государственный университет

Защита состоится «11» декабря 2008 г. в 14°° в зале заседаний диссертационного совета Д 212.065.03 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, дом 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « О У» 2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета, д т.н., профессор

Ю.В.Турыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в связи с конверсией в России военно-промышленного комплекса, оболочечные конструкции с наполнителем (заряды твердого топлива) широко используются в народном хозяйстве, прежде всего для борьбы с авариями и нежелательными природными явлениями, а также для повышения эффективности существующих технологий. Это, прежде всего, аэрозольные генераторы для исключения взрывов и борьбы с пожарами повышенной сложности; градобойные ракеты на твердом топливе; аккумуляторы давления для прожига нефтяных скважин с низким дебитом; устройства для аварийного перекрытия магистральных трубопроводов и т.д. Для решения указанных задач, по существу, создается новое поколение зарядов твердого топлива 1ражданского применения, при этом появляются специфические требования: экологическая полноценность продуктов сгорания, высокая надежность, безопасность при применении по назначению и т.п.

При этом встает задача определения достоверных картин теплового и напряженно-деформированного состояния новых конструкций изделий. Именно поэтому указанные задачи актуальны и современны.

Цели и задачи работы. Основной целью работы является исследование теплового и напряженно-деформированного состояния зарядов с последующей оценкой прочности оболочечных конструкций. Поставленная цель достигается путем последовательного решения следующих задач:

- разработки методик математического моделирования задач нестационарной теплопроводности и исследования напряженно-деформированного состояния конструкций;

- экспериментально-расчетного определения коэффициентов теплообмена изделий с окружающей средой;

- разработки подхода для определения напряженно-деформированного состояния тел трехмерной геометрической формы путём последовательного решения набора двумерных задач;

- экспериментального подтверждения адекватности математических моделей;

- исследования теплового состояния. конструкций при термостатировании, в экстремальных условиях и с учетом терморазложения материала;

- разработки подхода для определения равновесной температуры конструкции (нулевого состояния) по энергетическому критерию;

- обоснование и применение критериев прочности зарядов.

Общая методика исследований. Работа является теоретико-экспериментальной. Математическое моделирование относим к теоретическим разработкам. Экспериментальные исследования проведены для подтверждения адекватности математических моделей и определения достоверных граничных условий при решении краевых задач. На защиту выносятся следующие положения:

- экспериментально установленные коэффициенты теплообмена зарядов в условиях свободной конвекции;

- алгоритмы и программные комплексы решения трехмерных задач общего случая на основе последовательного решения набора двумерных задач;

- подход для определения равновесной температуры зарядов по энергетическому критерию;

- метод геометрического погружения для решения трехмерных задач исследования напряженно-деформированного состояния конструкций в виде тел вращения. Научная новизна. Основными научными результатами, полученными в работе, являются:

1. Подходы для исследования теплового состояния зарядов в процессе их термостатирования, хранения в естественных климатических условиях, эксплуатации в экстремальных условиях с учетом терморазложения материала.

2. Впервые разработанный алгоритм для определения равновесной температуры зарядов по энергетическому критерию.

3. Алгоритм и программные комплексы метода геометрического погружения для исследования напряженно-деформированного состояния трехмерных тел вращения.

Практическая значимость работы. Состоит в решении задач, позволяющих:

- проектировать заряды гражданского назначения с выдачей рекомендаций по их

оптимизации;

- разрабатывать технические мероприятия по повышению работоспособности зарядов и

их эффективности;

- проводить оценку прочности конструкций.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы в виде нолученных методических подходов позволили разработать и довести до серийного производства пермские заряды для пожаротушащих систем под торговыми марками: «АГАТ», «ОСА», «ОПАН», АПГ, которыми защищены 149 объектов в РФ, а также АЭС в Индии и Иране.

Апробация результатов работы. Отдельные результаты работы поэтапно докладывались на НТС ФГУП ОКБ «ТЕМП», научно-технических конференциях «Социально-экономические проблемы развития региона» г. Чайковский 2003 и 2004 г.г., второй Всероссийской конференции молодых ученых, преподавателей, аспирантов и студентов г. Ижевск 2007 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована одна книга и пять научно-технических статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов. Содержит 147 страниц машинописного текста, включая 8 таблиц и 46 иллюстраций.

Во введении приводится общая характеристика работы в целом. Здесь же кратко излагается содержание глав диссертационной работы.

В первой главе «Базовые принципы построения методологии математического моделирования» отмечается, что по технической сложности, энергомассовым хараетеристикам, экологическим параметрам продуктов сгорания, надежности и т.п. проект создания современных зарядов и двигателей гражданского назначения, безусловно, относится к классу сложных.

Можно разделить знания, используемые при разработке и реализации сложного проекта заряда и двигателя на две области: детерминированную и недетерминированную. В детерминированную область входят те знания, которые представлены математическими моделями — эффективным инструментом, обладающим хорошими возможностями для достоверного прогноза.

Недетерминированная область знаний является недостаточно структурированной областью знаний, которая характеризуется качественными логическими связями между характеристиками, неполнотой исходных данных, неоднозначностью или неопределенностью знаний, сложной точной математической формализации задач, что в итоге приводит к тому, что эти задачи нельзя решить формальными математическими методами.

Основные сложности проектов по заряду и двигателю связаны с тем, что задачи исследования двумерных и трехмерных процессов, происходящих при функционировании изделия, как правило, очень сложны. Для эффективного моделирования таких процессов необходимы современные численные методы решения задач механики сплошной среды. Желательно при этом, чтобы метод был универсальным, пригодным для решения большого числа разнообразных задач.

В настоящее время все более употребительным становится термин «вычислительный эксперимент». Создание численных методов и программных комплексов, реализующих их на

ЭВМ, в определенном смысле эквивалентно созданию крупных экспериментальных установок, а деятельность по проведению расчетов, обработки и интерпретации их результатов можно рассматривать как аналог реального физического эксперимента в лаборатории.

В настоящее время наибольшее распространение из численных методов получил метод конечных элементов (МКЭ). Следует отметить, что в основе программ математического моделирования могут быть заложены различные численные методы. Однако не столь существенно отыскивается ли решение по МКЭ или методом конечных разностей (или коллокаций), либо методом прямого интегрирования и т.п. Тот факт, что большинство существующих и разрабатываемых программ основано на МКЭ, можно объяснить:

- нехваткой программ с теми же возможностями, основанных на других методах (известно лишь несколько различных концепций);

- высоким стандартом программ МКЭ с точки зрения техники разработки, подтверждением их применимости почти во всех областях;

- тем, что этот метод позволяет программировать на высоком уровне внутренней логики.

Кроме того, в многочисленных работах доказано сходимость МКЭ и он обоснован, как строгий метод математической физики. Во многих НИИ и КБ МКЭ стал наиболее употребительным методом серийных расчетов.

На российском рынке сейчас конкурируют между собой несколько пакетов программных комплексов МКЭ, разработанных как в нашей стране, так и за рубежом. Зарубежный аналитический комплекс АМБУЗ в настоящее время, на наш взгляд, является самым мощным, который обладает достаточной функциональной полнотой и содержит в своей среде все необходимые для работы исследователя средства. Фактически АЫБУЗ является основной расчетной программой, используемой в мировом машиностроении, и работает в среде всех популярных операционных системах.

Особенностью пакета является файловая совместимость всех продуктов семейства А^УБ всех используемых платформ.

В настоящей работе используется как пакет А№У8, так и программные комплексы собственной разработки: двумерные задачи исследования НДС (плоская и ассиметричная); метод геометрического погружения; исследование задачи нестационарной теплопроводности, в том числе с учетом терморазложения материала

Для решения проблемы создания зарядов гражданского назначения в общем случае необходима единая методология, позволяющая на всех этапах проектирования, отработки и серийного изготовления:

- исследовать характеристики зарядов твердого топлива с учетом комплексного влияния на работоспособность изделий их конструктивных особенностей, системы внешних воздействий, а также отступлений от конструкторской и технологической документации;

- оперативно устранять причины аномальных режимов работы зарядов на основе выявления дополнительных ресурсов их работоспособности;

- обеспечивать экологическую полноценность продуктов сгорания и высокую надежность изделия;

- сокращать сроки и затраты на отработку изделий;

- находить и выявлять принципиально новые технические решения на уровне патентов и полезных моделей.

Во второй главе «Нестационарные тепловые поля в конструкциях» решен комплекс задач для зарядов, на основе реализации программы нестационарной теплопроводности. Практика проектирования и отработки зарядов гражданского назначения приводит к необходимости тщательного изучения вопроса взаимосвязи рабочих и эксплуатационных характеристик изделия и его теплового состояния.

Для этого разработан собственный программный комплекс «ТЕПЛО», реализующий задачу нестационарной теплопроводности с граничными условиями I, II, III и IV рода, либо их комбинацией. При использовании МКЭ для нестационарных задач важен выбор оптимальной пространственно-временной дискретизации, т.е. наилучших соотношений параметров сетки МКЭ и интервала шагов по времени, которые обеспечивают отсутствие колебания решения В частности, установлено, что из всего многообразия предложенных критериев наиболее точно описывает практическую реализацию МКЭ следующий. Определено, что критериальное соотношение в большинстве случаев решения типовых задач выполняется при:

х<1,34л/аДт ,

где х — геометрический размер дискретизации сетки в направлении градие!гга температуры; Дт — временной шаг решения задачи; а — коэффициент температуропроводности.

Окончательным этапом проверки программ является сравнение результатов по МКЭ с экспериментальными данными. Рассмотрим заряд калибра 0,533 м с центральным круглым каналом и длиной 3,8 м, с начальной температурой 298 К (25 °С), который попеременно термостатировался по режиму 298 К (25 °С)±2 К 271 К (-2 °С)+2 К 298 К (25 °С)±2 К с выдержкой при каждой температуре по 3,5 сут.

Определяем нестационарное поле температуры в заряде при теплообмене с окружающей средой в режиме свободной конвекции. Теплофизические характеристики материалов двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1

Теплофизические характеристики

Материал Толщина слоя, м-10"3 X, Вт/(мК) С, кДж/(кг-К) Р' 3 кг/м

Силовая обечайка — алюминиевый сплав В-48 10,5 117,2 1,256 2800

Защитно-крепящий слой — резина УБ-2Д 4,0 0,259 2,345 1200

Аэрозольобразующес топливо 165,0 1,087 1,160 1750

Задача решалась для случая теплообмена с окружающей средой по наружной поверхности заряда. Коэффициент теплообмена а для горизонтального цилиндра в условиях свободной конвекции определялся по классической формуле

а - 0,53—(Рг- йг)"'5, (1)

26

где 2Ь - наружный диаметр изделия;

Рг, Ог - числа Прандтля и Грасгофа, зависящие от теплофизических параметров окружающей среды.

Значения а, вычисленные по формуле (1), находятся в пределах 4,07...5,18 Вт/(м2 К).

На рис. 1 приведены расчетные и экспериментальные кривые распределения температур по своду заряда при его охлаждении и нагревании. Для установки датчиков топливный блок разрезался на три секции. На обоих торнах средней сектой на определенных расстояниях по радиусу высверливались отверстия диаметром 6 мм и глубиной 17 мм. В отверстия на пасте ЭДП-1 вклеивались датчики КИ-25-100. Схема расположения датчиков (четыре группы Г1-Г4) на обоих торцах одинаковая (рис. 2). Затем на склеенный топливный блок накатывалась обечайка корпуса двигателя. В зазор заливался клеящий состав. Провода отдатчиков выводились через канал к штепсельным разъемам на технологической крышке.

Для устранения конвективного теплообмена на внутренней поверхности канал заряда с торцов закрывался теплоизоляцией. После препарации датчиками заряд термостатировался по режиму, аналогичному расчетному. Как следует из сравнения результатов (рис. 1), расчетные и опытные данные удовлетворительно согласуются между собой. При этом максимальная разность между ними составляет не более 5 %.

а) Т, К

293

288

283

278

Рис. 1. Сравнение расчетных результатов с экспериментом: а - охлаждение по режиму 298->270 К; б - нагревание по режиму 270->298 К

12 4 3

Рис. 2. Схема расположения датчиков в своде конструкции 1 - обечайка; 2 - ЗКС; 3 - наполнитель; 4 - группы Г1-Г4 датчиков

В целях имитации тепловых режимов изделия, возникающих в процессе его эксплуатации, для подтверждения требуемых характеристик во всем интервале использования необходимо достаточно точно знать время термостатирования конструкции.

0 1 - —— •&Г4

1=8 ч "Чц

1 г=18 ч о

1 Т~40 ч

__г- . Т-80ч А:

0,1 0,15

0,2

Под временем термостатирования понимается время, при котором конструкция с начальной температурой Т0(х), помешенная в среду с температурой Тс, прогревается (или охлаждается) до температуры окружающей среды. При этом задается точность оценки б.

Если выражение- Т = f(x, т) является решением уравнения нестационарной теплопроводности и удовлетворяет краевым условиям, то для конструкций простой формы задача термостатирования решается легко. Время термостатирования при решении задачи в аналитической форме находигся из очевидного соотношения:

TmePM=X ABs\rc-T*ye'

где Т* - температура некоторой точки тела, максимально отличающаяся от температуры среды Тс

При решении задачи теплопроводности МКЭ, зная в каждый момент температурное поле конструкции, время термостатирования можно определить по зависимости

N ¡=\

где Дт, - шаг по времени при решении задачи теплопроводности: N - верхний предел суммирования временных шагов.

Основная сложность при решении задачи термостатирования состоит в назначении параметров граничных условий. В первую очередь это касается коэффициента теплообмена с воздушной средой а. В частности, экспериментально установлено, что теплозащита двигателя на днищах при решении задач термостатирования, т е. задач с относительно большими временами (порядка суток и более), не является идеальной, так как рассчитана на гораздо менее протяженные интервалы времени. Последнее приводит к необходимости задания теплообмена и с каналов зарядов.

Экспериментально-расчетным путем в работе установлено, что для рассматриваемых задач коэффициент теплообмена по наружной поверхности заряда должен задаваться в виде схн = 6,03(2-Ь)"°'4 для термокамер общего назначения, при одновременном теплообмене с канала заряда с коэффициентом ак= 0,15...0,8 Вт/(м2-еС). Последнее приводит к получению достоверных результатов. Здесь b - внешний радиус генератора.

В работе исследовано также тепловое состояние зарядов при хранении в естественных условиях на открытом воздухе в представительных пунктах климатических зон — г. Асуан (Египет), (либо Термез) и Оймякон (Россия), являющегося экстремальным пунктом для района с очень холодным климатом.

Расчетно-экспериментально исследована также тепловая задача с учетом терморазложения топлива. Целью решения являлось определение критических условий теплового самовоспламенения изделия в экстремальных условиях термонагружения. Установлено, что уровень температур на корпусе заряда при этом должен достигать уровня 275. ..290°С.

В третьей главе «Исследование напряженно-деформированного состояния конструкции» решен комплекс задач по исследованию рассматриваемых конструкций.

В осесимметричной постановке задачи выбирают вариант скрепления заряда с корпусом, конструкцию и материал защиты клеевых швов заряда, размеры и расположение различных проточек и т.п. Другая двумерная расчетная схема— режим плоской деформации необходима для оценки НДС в щелевых вырезах заряда, при выборе схемы скрепления стрингерных конструкций и т.п. Такие расчетные схемы наиболее полно отработаны. Например, на рис. 3 нами исследованы варианты скрепления заряда с силовой обечайкой корпуса.

В настоящей работе на базе двумерных расчетных схем предложен подход, позволяющий исследовать конструкции самой общей трехмерной геометрии. Последовательность расчетов при этом следующая.

Рис. 3. Зависимость безразмерной кольцевой деформации канала от величины распределения заряда 5 = (й-а)/(Ь-в), т = а!Ь для различных удлинений конструкции

Ь/Ь-2,4,8

1. Проводится расчет поперечных разрезов двигателя в режиме плоской деформации с учетом конструктивного оформления канала заряда. Количество сечений выбирается согласно размерам и форме перфорации по длине заряда. По результатам расчета для каждого сечения заряда устанавливаются размеры (радиус канала) кругового цилиндра, эквивалентного дайной перфорации канала.

2. Исследуется осесимметричная задача для заряда в виде короткого цилиндра с размерами кругового канала, которые установлены при выполнении расчетов по п.1.

3. На основашш расчетов по п.п.1 и 2 выполняется итоговая оценка деформаций и напряжений иа канале и контактной поверхности заряда.

На рис. 4 изложенный подход иллюстрируется графически. Подчеркнем, что сечение VI на рис. 4 выбрано дополнительно в зоне максимума деформаций и напряжений после предварительных оценок распределения компонент НДС по длине щелевой части конструкции. Для наиболее опасного дополнительного сечения, выявленного в результате исследований, проведена оценка уровня деформаций по общепринятому подходу. В этом случае уровень кольцевой деформации 29,4%, а по разработанной методике - 27,5% Снижение уровня деформаций соответствует физике процесса, так как для конструкции с большими относительными размерами щелевой части организован плавный переход зоны перфорации в круглый канал. На рис. 5 предложенный подход для заряда со сложной перфорацией канала для напряжений по контактной поверхности подтверждается данными фотоупругости. Здесь сплошные линии - результаты по МКЭ, точки о и А означают данные фотоупругости на объёмной модели заряда. Конструкция поперечного сечения в этом случае (рис. 5) представляет собой шестилучевую звезду, причем перфорация организуется на всю длину изделия с Ь/Ь =11, где Ь- длина, Ь - внешний радиус. При расчетах в режиме плоской деформации сечения эквивалентный радиус получен равным 0,6Ь. Как следует из анализа результатов рис. 5 наблюдается хорошее совпадение результатов на контактной поверхности

Рис. 4. Расчетные сечения в изделии и распределение безразмерных напряжений и деформаций по каналу и щелевой части заряда

Рис. 5. Конструкция изделия и распределение напряжений контактной поверхности по данным фотоупругости

конструкции с данными фотоупругого эксперимента как по осевым, так и по радиальным напряжениям. Такое совпадение установлено при коэффициенте Пуассона продукта 0,46. При задшши реального коэффициента 0,49 и выше отличие результатов не превышает 15%, что подтверждает выводы отечественных и зарубежных авторов. Деформации каналыю-щелевой поверхности конструкции, полученные согласно полученному подходу на основе двумерных задач, сравнивались также с экспериментальными данными по замеру деформаций. Для измерения деформаций в конструкциях при действии тепловой нагрузки применялись тензометры на полимерной подложке, при этом на цилиндрической части канала показания тензометров контролировались стандартными датчиками перемещений ДП-25. Получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Кроме того, в работе разработан метод геометрического погружения для исследования сложных по консгруыцш тел вращения. Суть подхода заключается в сведении исходной задачи механики сплошной среды для конструкции произвольной геометрической конфигурации к решению итерационной последовательности задач на некоторой канонической области. При этом на каждом приближении решается вариационное уравнение и, следовательно, возможно применение МКЭ. Так как заряды представляют собой тела вращения, то ниже, в качестве канонической области используем круговой цилиндр. Тогда решение можно разложить в ряд Фурье по угловой координате и отыскивать коэффициенты разложения с помощью МКЭ. По форме такой подход напоминает полуаналитический МКЭ, однако разрешающие уравнения имеют ряд особенностей.

Первым этапом проверки правильности и эффективности разработанного программного комплекса явилось решение ряда задач для канонических областей в виде коротких цилиндров. Этот этап является объективно необходимым для первоначальных проверок. Установлено, что предлагаемый метод быстро сходится за 5...7 приближений при относительной погрешности отыскания узловых неизвестных не более ЮЛ Число членов ряда Фурье варьировалось при этом от 6 до 12.

На рис. 6 и 7 показаны результаты метода геометрического погружения для безразмерных напряжений при хранении заряда со сложной перфорацией канала Канал конструкции имеет сложную перфорацию в виде четырех щелей на всю длину. В качестве граничных условий задачи принималось отсутствие перемещений по внешней поверхности конструкции - жесткая силовая обечайка корпуса и действие на конструкцию массовых сил по двум перпендикулярным направлениям: по оси изделия и в плоскости перпендикулярной оси. На рис.6 представлена зависимость безразмерного радиального напряжения от угла 8 для сечения z = b (середина конструкции) для двух вариантов положения изделия. Как следует из результатов рис. 6, в вершинах вырезов удовлетворяются граничные условия в напряжениях - радиальное напряжение равно нулю. Максимальной величины радиальные напряжения достигают на внешней поверхности конструкции, при этом в нижней части они сжимающие. Максимальный уровень напряжений реализуется в вертикальном сечении 0 -180°, что отражает физический процесс деформирования конструкции.

На рис. 7 показаны изолинии безразмерной интенсивности напряжений по своду конструкции для сечения у торцов z = 0,04b, как и ранее для двух вариантов положения конструкции. Максимального уровня интенсивность напряжения достигает вблизи контактной поверхности. У торца конструкции, уровень интенсивности максимальный. При этом, в отличие от сечения по середине конструкции, интенсивность напряжений несимметрична относительно горизонтальной плоскости.

Рис. 7. Изолинии безразмерных интенсивностей напряжений в сечении у торца: а - пропилы в плоскости 0—180; б - в плоскости 45-135

Величина температурных деформаций и напряжений для скрепленных зарядов, пропорциональна перепаду температур АТ, определяемому как разность между температурой среды Тэ (эксплуатации) и некоторой характерной для технологии изштовлеиия заряда температурой Тр, которую принято называть равновесной.

Равновесная температура является одним из основных конструктивно-технологических параметров скрепленного заряда. Существует множество расчетных формул для данного парамегра, которые можно свести к следующему общему виду:

Т =Т -кР, (2)

р пол

где Т1ЮЛ- температура полимеризации или заполнения;

к - коэффициент, зависящий от допущений, принятых при выводе формулы (объемные изменения топлива, корпуса и т. п.);

Р - давление полимеризации или отсечки. В работе предложено поставленную задачу решать, исходя из энергетического критерия — минимального значения полной потенциальной энергии заряда от действия давления и температуры при изготовлении конструкции. При использовании МКЭ необходимо найти минимальное значение выражения.

п^ЪЫ-киу* /1.1

где П - потенциальная энергия;

Э - количество элементов в расчетной области; АУ„ - объем п-го конечного элемента.

Графически предложенный новый подход иллюстрирует рис. 8.

(3)

--- 02. ^ "2 • Ч ^ !

Рис. 8. Иллюстрация энергетического критерия: а - зависимость потенциальной энергии от температуры; б - напряжение на контактной поверхности

Для проектирования равнопрочных конструкций зарядов реализована оптимизационная процедура, позволяющая минимизировать уровень эквивалентных деформаций на свободных поверхностях заряда (на канале) и напряжений (в зонах контактной поверхности).

Проведено обобщение и анализ существующих критериев прочности для высоконаполненных полимеров (гетерогенные топлива) и составов типа баллиститов (гомогенные тошшва). Наиболее сложно решать задачу по оценке прочности для

высоконаполненных полимеров, так как их характерные механические свойства определяются природой связующего, адгезией связующего к наполнителю, размером частиц наполнителя и его процентным содержанием. На практике используют два подхода для оценки работоспособности скрепленного заряда: деформационный и прочностной (по напряжениям) критерии. По предельным деформациям оценивается, как правило, свободные поверхности конструкции, а по предельным напряжениям - поверхности адгезионных и других соединений.

Простейший деформационый критерий записывается в виде:

¡-1

где И - предельная деформация материала, определенная в стандартных условиях

(Ё~НГ31/с, Т=20°С);

//-коэффициент безопасности для /-й нагрузки;

е1» " расчетная эквивалентная деформация в конструкции для < - й нагрузки;

и - число этапов нагружения.

Аналогично вышеприведенному выражению можно записать критериальное условие в напряжениях.

В качестве силового критерия в работе принят критерий А.А.Копылова, подтвержденный экспериментально для гетерогенных топлив. В области напряженных состояний с положительным средним главным напряжением а0> 0 предельное условие может быть записано в виде

сти = 3/2 ([а] - сто) / со«ост, где ш,,-угол (фаза) девиатора напряжений, или в эквивалентной форме:

о/ = Оо+ 2<УиС05О а / 3.

При этом заключение об инвариантности эквивалентного напряжения относительно времени проведено построением опытных точек на плоскости - ^-с, где х - время.

Заключение о температурной инвариантности эквивалентного напряжения сделано на основе проявления температурно-временной аналогии. В итоге установлено, что для области высокоэластического состояния материала имеет место инвариантность эквивалентного напряжения (предельной поверхности) в отношении как времени, так и температуры. Вязкоупругие свойства обычно учитываются развертыванием упругого решения во времени, то есть подстановкой модуля ползучести в упругое решение.

В качестве типового примера проведена оценка прочности бесканальной шашки из гомогенного топлива для пожаротушащето генератора. Вначале исследовано НДС шашки диаметром 120 мм и длиной 155 мм после ее выпрессовки и последующего длительного термосгатирования на температуру 60°С. В качестве модели поведения топлива в работе принята модель Кельвина. Поставленные задачи нестационарной теплопроводности и исследования НДС, как и ранее, решались МКЭ. Основной расчётный случай, исследованный в работе - остывание шашки от температуры прессования 80°С до комнатной 20°С с последующим нагревом до 60°С для подтверждения термосгабильности топлива Следует отметить, что участок остывания шашки характеризуется постоянным возрастанием уровня растягивающих напряжений. Максимальное значение имеет осевая компонента напряжений. Напряжения при комнатной температуре практически не релаксируют за исследованный промежуток времени. Вначале фазы нагрева происходит резкий рост уровня напряжений в центре бесканальной шашки в 1,7 раза Здесь же выявлено трещинообразование при изготовлении заготовок методом проходного прессования. Для оценки прочностной работоспособности шашки принят, как это рекомендуют отраслевые нормы, критерий максимальных главных напряжений. Вводим далее удельное эквивалентное напряжение как отношение первого главного напряжения к предельному растягивающему

напряжению на рассматриваемую температуру. С учётом нормативного коэффициента безопасности f£ = 2,0 (1,5 для шашек с каналом) и уровня предельных напряжений материала, определенных на стандартных образцах прочность в центральной зоне шашки не обеспечивается. Разработаны технические мероприятия в виде рекомендаций по технологическим режимам изготовления изделия. Внедрение мероприятий устранило трещинообразованис в центральной зоне бесканальных шашек для заряда аэрозольного пожаротушения.

ВЫВОДЫ

1. Решен широкий круг задач по исследованию теплового и напряженно-деформированного состояния для оценки прочности работоспособности зарядов различного назначения, в том числе для пожаротушения - генераторов первого поколения (скрепленные заряды) и второго поколения (вкладные заряды «холодных» генераторов).

2. Исследованы задачи нестационарной теплопроводности:

- при изготовлении шашек-заготовок;

- в процессе термостатирования изделий;

- при хранении изделий в естественных климатических условиях в представительных зонах жаркого и холодного климата;

- с учетом терморазложения топлива.

Адекватность математических моделей с граничными условиями подтверждены постановкой специальных экспериментов.

3. Разработан и экспериментально обоснован подход для определения напряженно-деформированного состояния тел трехмерной геометрической формы на основе последовательного решения набора двумерных задач. Подход подтвержден данными фотоупругого объемного эксперимента и натурными замерами деформаций. Предложен алгоритм и программный комплекс метода геометрического погружения для исследования конструкций в виде трехмерных тел вращения (зарядов твердого топлива).

4. Предложен и реализован подход по исследованию равновесной температуры заряда по энергетическому критерию, исходя из минимума потенциальной энергии изделия при воздействии технологических факторов в процессе изготовления конструкции. Методика позволяет выявить зоны остаточных полимеризациошшх напряжений в конструкции.

5. Разработана методика оценки прочности шашек-заготовок зарядов из баллиститного топлива в процессе их изготовления, позволяющая оптимизировать основные технологические параметры (давление и температуру) по условию обеспечения целостности шашки.

6. Основные результаты работы в виде полученных методических подходов позволили разработать и довести до серийного производства заряды для пожаротушащих систем под торговыми марками: «АГАТ», «ОСА», «OIIAH», которыми защищены 149 объектов в РФ, а также АЭС в Индии и Иране.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Селиванов М.А. Эффективные технологии тушения пожаров / М.А. Селиванов, В.Н. Аликин, В.Б. Голубчиков, Б.Е. Довбня, С. Ю. Серебренников // Экология и промышленность России. — №10. — 2007. — с. 42-44.

2. Селиванов М.А. Математическое моделирование теплового и напряженно-деформированного состояния оболочечных конструкций с наполнителем / М.А. Селиванов, В.Н. Аликин, В.В. Маланин, М.И Соколовский, С.Ю. Серебренников — Пермь: ОАО «НИИУМС», 2007. — 113 с.

3. Селиванов М.А. Динамические технологии тушения пожаров / М.А. Селиванов, В.Н. Аликин, Б.Е. Довбня, С.Ю. Серебренников // Сб. Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки, технологии и техники: Екатеринбург — Ижевск, 2007. — с. 6-9.

4. Селиванов М.А. Разработка новых динамических систем для борьбы с авариями и стихийными бедствиями / М.А. Селиванов, В.Н. Аликин, Б.Е. Довбня, С.Ю. Серебренников // Сб. Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки, технологии и техники: Екатеринбург — Ижевск, 2007. — с. 9-11.

5. Селиванов М.А. Новые технологии тушения пожаров / М.А. Селиванов, В.Н. Аликин, Б.Е. Довбня, С.Ю. Серебренников // Сб. Научных трудов ОАО «НИИУМС» — № 56 — 2007. —с. 13-16.

6. Селиванов М.А. Исследование прочности полимерной цилиндрической конструкции / М.А.Селиванов, В.Н.Аликин, Б.Е.Довбня, О.Ю.Сметанников II Естественные и технические науки,- №4.- 2008. - с.64-69.

Подписано в печать 05.11.08. Формат 60x84/16 Усл. печ. л 1. Тираж 100 экз. Заказ № 1090 Отпечатано в ЧТИ ИжГТУ 617766, г. Чайковский, ул. Декабристов, 23