Розрахунок на міцність комбінованих багатоелементних з’єднань деталей літальних апаратів із композиційних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

Харківський авіаційний інститут

КРИВЕНДА СЕРГІЙ ПЕТРОВИЧ

УДК 629.735.23 :620.22

РОЗРАХУНОК НА МІЦНІСТЬ КОМБІНОВАНИХ БАГАТОЕЛЕМЕНТНИХ З'ЄДНАНЬ ДЕТАЛЕЙ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ ІЗ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.07.03 - міцність літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Карпов Яків Семенович Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”, проректор з навчальної роботи.

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор Фомічов Петро Олександрович Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”, завідувач кафедри;

кандидат технічних наук Лозовицький Ігор Броніславович Державне конструкторське бюро „Південне”, ведучий науковий співробітник Провідна установа Авіаційний науково-технічний комплекс „Антонов” Міністерства промислової політики України, м. Київ.

Захист відбудеться 13 травня 2004 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.03 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут” за адресою 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий 08.04. 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Саприкін В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Конструкція літального апарата (ЛА) має велику кількість функціональних, технологічних та експлуатаційних стиків і з'єднань. Це значною мірою ставить надійність функціонування ЛА у залежність від якості розрахунку напружено-деформованого стану (НДС), проектування та реалізації стиків і з'єднань. Якість оцінки НДС елементів з'єднання та проектування з'єднання є вирішальними. У загальному машинобудуванні проблема економії маси конструкції не суттєва, тому там належна якість оцінки НДС елементів з'єднання забезпечується завдяки використанню коефіцієнта запасу міцності, тоді як ЛА з метою зниження маси конструкції проектують за руйнуючими навантаженнями. Таким чином, вимоги щодо точності розрахункових схем (РС) з'єднань у загальному машинобудуванні дещо нижчі, ніж при розрахунку НДС та проектуванні з'єднань ЛА. Крім того, широке впровадження в конструкції ЛА композиційних матеріалів (КМ) привело до збільшення кількості способів з'єднання, кожний з яких має переваги, недоліки та області використання. Для вирішення задач розрахунку та проектування з'єднань необхідно мати уніфіковану модель з'єднання, за допомогою якої можна оцінювати ефективність різних варіантів з'єднань та їх комбінацій. Використання КМ в конструкціях ЛА викликало також і необхідність урахування впливу температурного поля на НДС елементів з'єднання. Це пов'язано з тим, що коефіцієнти лінійного температурного розширення (КЛТР) КМ значно відрізняються від КЛТР металів, що може спричинити значні технологічні напруження в елементах з'єднання.

Відсутність обґрунтованих вирішень перелічених проблем є достатньою підставою для висновку щодо актуальності розробки методики розрахунку на міцність та методики проектування з'єднань ЛА із КМ зі змінними параметрами вздовж стику при дії складного термомеханічного навантаження.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Робота є складовою частиною загальноуніверситетської програми „Авіація та космонавтика”, а також наукових досліджень за тематикою Г403-22/95 „Математичне, програмне і конструкторське забезпечення проектування високонавантажених з'єднань та стикових вузлів агрегатів літальних апаратів із композиційних матеріалів” та Г407-21/00 „Розробка теоретичних основ проектування дискретно опертих агрегатів літаків із композиційних матеріалів”.

Мета роботи полягає у розробці методик розрахунку на міцність та проектування комбінованих з'єднань деталей та агрегатів літальних апаратів із композиційних матеріалів з різнорідними кріпильними елементами, що базується на уніфікованій математичній моделі напружено-деформованого стану з'єднання.

Для досягнення мети було вирішено такі задачі:

- синтезовано уніфіковану математичну модель для визначення НДС елементів основних конструктивно-технологічних рішень (КТР) з'єднань;

- розроблено методику прогнозування міцності з'єднання із з'єднувальним шаром довільної структури;

- розроблено методику оцінки залишкової несучої здатності та живучості з'єднання, що руйнується;

- обґрунтовано загальні підходи до проектування з'єднань;

- проведено експериментальні та параметричні дослідження, за результатами яких сформульовано практичні рекомендації щодо розрахунку на міцність і проектування.

Об'єктом дослідження є комбіноване з'єднання зі змінними параметрами вздовж стику, яке знаходиться під дією складного термомеханічного навантаження.

Предметом дослідження є уніфікована математична модель НДС комбінованих з'єднань.

Методи дослідження. Для створення математичної моделі НДС з'єднання використано класичні залежності механіки деформівного твердого тіла та будівельної механіки. Для електричного аналога з'єднання використано правила Кірхгофа. Дослідження математичної моделі виконано на основі порівняння результатів розрахунку з результатами експериментів та розрахунку за іншими моделями.

Наукова новизна роботи полягає у синтезі уніфікованої математичної моделі НДС комбінованих з'єднань деталей із КМ для прогнозування їх граничного стану та залишкової міцності під час руйнування з урахуванням температури експлуатації агрегатів ЛА, а також для проектування з'єднання зі змінними параметрами вздовж стику при складному термомеханічному навантаженні.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що на основі синтезованої математичної моделі:

- для інженерних розрахунків виведено канонічну систему лінійних алгебричних рівнянь для визначення зусиль в елементах з'єднання, що знаходиться в умовах складного термомеханічного навантаження, та отримано залежності для визначення коефіцієнтів податливості комбінованих з'єднувальних зв'язків;

- сформульовано рекомендації щодо області використання запропонованих та відомих формул для розрахунку коефіцієнтів податливості зв'язків;

- запропоновано алгоритм оцінки залишкової статичної міцності та живучості комбінованих з'єднань з різнорідними зв'язками;

- розроблено методику проектування структури та параметрів комбінованого з'єднувального шару з'єднань деталей із КМ з прогнозованим характером і послідовністю руйнування його елементів;

- розроблено програмний комплекс визначення НДС зв'язків, що утворені різними способами на основі різних КТР.

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних розробок належать автору. Із п'яти статей чотири опубліковані без співавторів.

Експериментальні дані одержано співробітниками Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „ХАІ” та Штутгартського університету (Німеччина) та оброблені автором.

Апробація. Основні результати роботи були повідомлені та обговорені на ХХІІ молодіжній науковій конференції „Гагаринские чтения”, Москва, 2 - 6 квітня 1996 р.; П'ятій міжнародній конференції „Новые технологии в машиностроении”, Рибаче, 18 - 21 вересня 1996 р.; Сьомій міжнародній конференції „Новые технологии в машиностроении”, Рибаче, 3 - 7 вересня 1998 р.; НТС кафедри № 403 1995 - 1997 рр.; НТС кафедри № 407 1998 - 2002 рр.

Основні результати теоретичних і практичних досліджень використано в навчальному посібнику з курсового та дипломного проектування для студентів спеціальності „Проектування та виробництво виробів із КМ”.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у п'яти статтях (чотири без співавторів).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків, викладена на 137 сторінках машинописного тексту, у тому числі сам текст дисертації займає 112 сторінок, містить 13 рисунків на окремих сторінках, 1 таблицю на окремій сторінці та список використаної літератури із 116 найменувань на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко викладено сучасний стан проблеми та актуальність дослідження, сформульовано мету та задачі дослідження, наукову новизну, практичну значущість роботи, наведено відомості про апробацію роботи, публікації, структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі проведено огляд та аналіз існуючих КТР з'єднань деталей ЛА із КМ. Відзначено, що низька ефективність традиційних способів з'єднання деталей із КМ стала причиною досліджень з модернізації існуючих та створення нових з'єднань. Відзначено також, що існуючі математичні моделі з'єднань мають недоліки, які суттєво обмежують можливості розробників при проектуванні з'єднань.

На основі огляду та аналізу було сформульовано мету та задачі дисертації.

Другий розділ присвячено розробці уніфікованої математичної моделі з'єднання зі змінними параметрами при складному термомеханічному навантаженні. Вона базується на одномірній моделі з'єднання та методі фізичної дискретизації.

Припущення, які необхідні для синтезу РС:

- в з'єднаних деталях діють нормальні напруження та напруження зсуву, спричинені лише дією зовнішніх зусиль та температурного поля;

- силові зв'язки (з'єднувальний шар) працюють лише на зсув;

- процеси згину (при навантаженні нормальними зусиллями) та скручування (при навантаженні зусиллями зсуву) не враховуються;

- геометрична конфігурація деталей і склад з'єднувального шару можуть бути довільними в межах технологічних можливостей;

- у кожному перерезі з'єднані деталі мають постійну структуру та товщину;

-- одна із з'єднаних деталей навантажена зусиллями, що виводять з'єднання із рівноваги, а друга - зусиллями, що врівноважують з'єднання; позитивні напрямки зусиль протилежно спрямовані;

- матеріали елементів з'єднання відповідають пружно-лінійному фізичному закону.

Таким чином, для з'єднання, наведеного на рис. 1, була побудована РС (рис. 2, а).

Згідно з умовами рівноваги з'єднаних деталей (рис. 2, а) зусилля в них та силових зв'язках визначаються залежностями:

 (1)

Оскільки умов рівноваги не вистачає для визначення всіх невідомих , було використано умови сумісності деформацій (рис. 2, б), математичний запис яких має такий вигляд:

(2)

Де - зусилля, що діють у деталях на і-й ділянці; - середні коефіцієнти лінійного температурного розширення матеріалів деталей на і-й ділянці; - різниці температур деталей (температури при складанні з'єднання та температури його експлуатації у складі елементів конструкції); - податливості деталей уздовж осі х (вздовж з'єднання); - податливість ряду силових зв'язків у площині XZ.

Систему рівнянь було отримано в результаті підстановки рівнянь (1) у рівняння (2) і вирішення їх відносно зусиль у першій деталі (можна вирішити і через зусилля в другій деталі, в рядах силових зв'язків - це не принципово). Остаточно система рівнянь набуває такого вигляду:

(3)

Де - зовнішні зусилля, що діють в і-му вузлі деталей;

 (4)

Згідно з розподілом зусиль у першій деталі визначаються зусилля в другій деталі

(5)

В рядах силових зв'язків діючі зусилля визначаються формулами (1).

Для оцінки НДС елементів вшир з'єднання крім перелічених вище були використані такі додаткові припущення: деталі в межах ряду силових зв'язків умовно деформуються у напрямку осі у незалежно від суміжних ділянок; деформація деталей у поперечному напрямку не впливає на їх деформацію у поздовжньому напрямку. На основі цих припущень була синтезована модель вшир з'єднання (рис. 3, а).

Згідно з умовою рівноваги (рис. 3, б) одержано вирази для зусиль в елементах з'єднання:

(6)

Як і у випадку розрахунку вздовж з'єднання для замикання системи рівнянь було використано умови сумісності деформації (рис. 3, в), математичний запис яких має такий вигляд:

(7)

Де ;

(8)

Тут - середні по ділянці пуассонові деформації:

(9)

Остаточно система рівнянь для розрахунку НДС у поперечному напрямку одержана підстановкою в систему (7) рівнянь (6) і вирішенням відносно невідомих одного типу (у даному випадку - ):

(10)

Рівняння для розрахунку з'єднання, що працює на зсув, ідентичні системі (3) і записуються таким чином:

(11)

де - потоки зусиль зсуву у першій та другій деталях зліва від з'єднання (згідно з РС).

Для спрощення проведення та зниження собівартості експериментальних досліджень з'єднань зі змінними параметрами на основі припущень про відповідність зусиль силі електричного струму, а податливості елементів з'єднання величині опору відповідних елементів електричного кола було синтезовано електричну модель з'єднання (рис. 4). На основі правил Кірхгофа одержано систему рівнянь, аналогічну системі (3), що одержана на базі законів механіки деформівного твердого тіла.

Податливості з'єднаних деталей визначаються формулами:

- для випадку навантаження нормальними зусиллями

(12)

- для випадку навантаження зсувом

(13)

Для випадку оцінки НДС вшир з'єднання з однаковим рівнем достовірності можна використовувати або припущення про постійність деформацій вшир ділянки, або припущення про постійність рівня зусиль вшир ділянки. Було використано друге припущення. У цьому випадку формули податливості деталей мають вигляд:

(14)

У цих формулах B, txi - ширина з'єднання та відстань між і-м та (і+1)-м рядами силових зв'язків; - поточне значення модулів пружності першої та другої деталей вздовж стику; - поточне значення модулів зсуву першої та другої деталей у площині поверхні стику; - поточне значення модулів пружності першої та другої деталей поперек стику; - поточне значення товщини першої та другої деталей.

Коефіцієнти лінійного температурного розширення вздовж і вшир стику визначаються формулами:

(15)

Для визначення податливості окремого ряду комбінованих силових зв'язків було використано припущення, що компоненти силового зв'язку не впливають на вихідні властивості один одного. На основі цього припущення, а також умов рівноваги та сумісності деформацій (рис. 5) було отримано формули для розрахунку питомої податливості комбінованого зв'язку:

- у площині XZ (для моделі з'єднання, що навантажено нормальними зусиллями)

(16)

– у площині YZ (для моделі з'єднання, що навантажено зусиллями зсуву)

 (17)

У цих формулах - питома податливість у площинах XZ та YZ j-го компонента в i-му ряду; - площа i-го зв'язку та j-го компонента цього зв'язку в площині стику; k - кількість компонентів у ряду силових зв'язків.

Для електричного аналога повна податливість елементів з'єднання моделюється як опір, тоді величина опору, що відповідає комбінованому зв'язку, визначається формулою для паралельно з'єднаних активних елементів електричного кола

(18)

що, по суті, збігається з формулами (16) та (17).

Несуча здатність з'єднання оцінюється згідно з НДС елементів з'єднання та варіантів можливих форм їх руйнування, а саме: руйнування деталей від діючого навантаження (особливо в ослаблених перерізах), руйнування силових зв'язків, зминання деталей кріпильними елементами (КЕ), а також зминання КЕ металевими деталями, зріз деталей між рядами КЕ або біля вільних країв деталей. Для розрахунку несучої здатності у випадках майже всіх перелічених варіантів руйнування використовуються класичні методики.

Новою є методика оцінки несучої здатності комбінованого зв'язку. Міцність комбінованого зв'язку оцінюється за найнапруженішим компонентом (гранична деформація якого найменша)

 (19)

де - міцність на зсув і податливість у площині XZ s-го компонента, значення граничної деформації якого найменше.

Міцність комбінованого зв'язку у площині YZ визначається формулою, аналогічною (19).

Таким чином, синтезовано математичну модель з'єднання зі змінними параметрами вздовж стику, що знаходиться під дією складного термомеханічного навантаження.

Третій розділ присвячено дослідженню впливу похибок при визначенні податливості компонентів силових зв'язків на оцінку напруженого стану елементів з'єднання. Було досліджено залежність величини відносного відхилення максимальних значень напружень у з'єднувальному шарі від зміни відносного значення його питомої податливості (за базове значення було прийнято експериментальне для клейового шару), довжини стику, а також жорсткості деталей і особливостей навантаження. Характерний вигляд залежності наведено на графіку (рис. 6). Таким чином, визначено умови, за яких можна пом'якшити вимоги щодо точності моделі з'єднувального шару.

Щоб обґрунтувати вибір моделі для розрахунку податливості КЕ було досліджено вплив вибору моделі КЕ на величину напружень у найбільш навантаженому ряду КЕ. Дослідження проведено шляхом порівняння напружень розглядуваних моделей з'єднань (в них для моделювання КЕ використано залежність ХАІ, що базується на гіпотезі Фолькерсена, а також залежності фірми Boeing і фірми Douglas) з напруженнями базової моделі з'єднання, яка була розроблена в ЦАГІ і є складовою частиною керівних технічних матеріалів. Дослідження проведені за умов використання для КЕ високомодульного матеріалу (сталь 30ХГСА) та низькомодульного матеріалу (сплав В96), для різної жорсткості з'єднаних деталей, при щільності розміщення КЕ в ряду, що відповідає одному та чотирьом КЕ в ряду. Діаметри КЕ були вибрані згідно зі значенням ряду нормальних лінійних розмірів у діапазоні від 1 до 10 мм. Як незалежну змінну вибрано відносний крок розташування рядів КЕ. Результати дослідження для КЕ із сталі 30ХГСА у випадку одного КЕ в ряду наведено на рис. 7. Тут відображено таку інформацію: а, в, д - з'єднані деталі одинарної товщини; б, г, е - товщина з'єднаних деталей збільшена у чотири рази; а, б - КЕ змодельовано за залежностями ХАІ; в, г - КЕ змодельовано за залежностями фірми Boeing; д, е - КЕ змодельовано за залежностями фірми Douglas.

Результати досліджень дають змогу стверджувати, що розглянуті моделі КЕ мають свої області використання, в межах яких відхилення напружень від контрольних значень найменші. Так, було встановлено, що модель ХАІ можна використовувати при великій щільності розміщення КЕ (тобто при відносній площі КЕ > 3,5%), модель фірми Boeing ліпше використовувати, коли відносна довжина тіла КЕ не перевищує двох, а для моделі фірми Douglas обмежень не було встановлено, бо при її використанні відносне відхилення напружень не перевищувало 15%.

Дослідження впливу ступеня дискретизації моделі на збіжність розрахунку було проведено у три етапи. На першому етапі досліджено збіжність результатів розрахунку НДС з'єднання за дискретною моделлю з аналітичним рішенням (параметри елементів з'єднання постійні). Встановлено, що відхилення напружень не перевищує 10% при рівні дискретизації 50 ділянок на сто міліметрів і більше. На другому етапі досліджено вплив рівня дискретизації на НДС компонентів комбінованого зв'язку у з'єднанні деталей з постійними параметрами вздовж стику. Встановлено, що при використанні для КЕ моделі фірми Douglas, а для клею - моделі Фолькерсена, збіжність результатів розрахунку хороша - відхилення напружень в КЕ не перевищувало 4%, а в клеї - -3,5%. На третьому етапі для з'єднання підсилючої накладки змінної геометрії з деталлю постійної товщини було порівняно їх НДС, одержаний за запропонованою методикою (із використанням моделі для клейового шару, що базується на гіпотезі Фолькерсена) та за методикою Іонова. Виявлено добру збіжність результатів розрахунку і підтверджено можливість використання для клейових зв'язків моделі, що базується на гіпотезі Фолькерсена.

У четвертому розділі розглянуто особливості використання запропонованої математичної моделі з'єднання, а саме: при оцінці несучої здатності комбінованого з'єднувального шару, при оцінці живучості як з'єднання у цілому, так і з'єднувального шару, при проектуванні з'єднання з урахуванням впливу різниці температур.

Оцінка несучої здатності комбінованого з'єднувального шару проводиться за найбільш навантаженим компонентом (значення граничного зсуву якого найменше). Для порівняння несучої здатності різних способів з'єднання було проведено „розмазування” дискретних зв'язків по відведеній для них поверхні. Таким чином, оцінка несучої здатності клейового шару, дискретних елементів і комбінованного шару проводиться за рівних умов. Результати порівняння міцності комбінованого з'єднувального шару системи клей + КЕ та КЕ, що входять до нього, з міцністю чистого клею ВК-36 наведено на графіку (рис. 8). Тут максимальна відносна площа КЕ , що відповідає щільності розміщення КЕ 5Х5 діаметрів. Було також враховано вимогу щодо відсутності зрізу матеріалу деталей між рядами КЕ. На основі результатів порівняння було зроблено висновки про те, що серед варіантів механічного з'єднання найбільш перспективне з'єднання КЕ малого діаметра із сталі, серед усіх розглянутих способів з'єднання найбільшу міцність забезпечує комбінований клеємеханічний за умови використання КЕ діаметром 1,5...3 мм зі сталі (як матеріалу з найбільшою міцністю серед інших розглянутих).

Під час обробки результатів випробувань механічних з'єднань на статичну несучу здатність, які були проведені у Штутгартському університеті (Німеччина) за проектом ХАІ (рис. 9 і 10), було досліджено вплив складу з'єднувального шару цих з'єднань на їх живучість. Встановлено, що під час руйнування з'єднань із комбінованим з'єднувальним шаром навантаження в рядах КЕ розподіляється більш рівномірно, що зумовлює підвищення несучої здатності з'єднання. Ступінь живучості можна характеризувати через відношення навантаження, при якому з'єднання руйнується повністю, до навантаження, при якому було зруйновано перший ряд КЕ. Для зразків № 1 і № 4 це відношення складає 1,16; для зразка № 2 - 1; для зразка № 3 - 2,17. При цьому точність прогнозування несучої здатності досить висока, відхилення прогнозованого рівня несучої здатності від фактичного не перевищує 15%.

Для випадку рівномірного розподілу навантаження вздовж стику і постійного складу комбінованого з'єднувального шару було досліджено умови забезпечення живучості цього шару:

(20)

де - руйнівна сила до та після руйнування r-го компонента з'єднувального шару.

У формулі (20) індексом r позначено параметри найбільш навантаженого компонента, що має зруйнуватися, а індексом r+1 - параметри найбільш навантаженого компонента після руйнування r-го компонента.

На основі умови (20) для комбінованого з'єднувального шару системи клей + КЕ було отримано залежності значень відносної площі КЕ, при яких прогнозується підвищена живучість цього шару:

– якщо першим руйнується КЕ, то

(21)

– якщо першим руйнується клей, то

(22)

Дослідження за формулами (21) та (22) з урахуванням обмежень на щільність встановлення КЕ показали, що існують вкрай обмежені області, в межах яких проявляється підвищена живучість з'єднувального шару.

Існуючі методики проектування можуть використовуватися лише для окремих способів з'єднання (для яких і були розроблені), що обумовлено використанням відповідних моделей з'єднання. Крім того, ці методики не враховують вплив температурного поля на НДС елементів з'єднання на етапі його проектування, а цей вплив у випадку з'єднання деталей із КМ стає вагомим і його слід враховувати. Оскільки процес проектування з'єднання пов'язаний з вибором структури з'єднувального шару та визначенням параметрів елементів з'єднання, доцільно розділити процес проектування на три етапи: перший етап пов'язаний із визначенням складу з'єднувального шару з метою забезпечення максимальної несучої здатності, живучості, тощо; на другому етапі визначають параметри деталей та розміри з'єднання у першому наближенні при дії термомеханічного навантаження; на третьому етапі уточнюють параметри деталей та склад з'єднувального шару вздовж стику з урахуванням технологічних обмежень та інших особливих вимог. На першому етапі можна використати методики аналізу параметрів з'єднувального шару, що були подані вище, третій етап важко формалізувати, тому використовують методику послідовних наближень. Для виконання другого етапу видозмінено вихідну математичну модель (3) за рахунок виділення в ній керуючих функцій (тобто використано принцип оперативного керування):

(23)

де (24)

Тут - максимальні напруження в першій та другій деталях відповідно; - коефіцієнти навантаження першої та другої деталей відповідно (змінюються в межах від 0 до 1), вони являють собою значення керуючих функцій для і-ї ділянки РС.

Розроблено також алгоритм проектування з'єднання. На основі проведених досліджень було доведено, що (за умови урахування лише маси з'єднаних деталей) з'єднання має найменшу масу при мінімальній довжині стику. Було визначено значення коефіцієнтів навантаження для оптимального за масою з'єднання:

(26)

Для того щоб з'єднання мало мінімальну масу, значення або має досягати одиниці, тобто на кожній ділянці РС одна з деталей гранично навантажена. Дослідження показали, що урахування впливу температурного поля на другому етапі проектування з'єднання дозволить зменшити його масу на 15...25% порівняно зі з'єднанням, для якого вплив температури було враховано на третьому етапі проектування (за рахунок збільшення довжини стику).

Були також сформульовані рекомендації щодо проектування з'єднання з урахуванням діапазону зміни температури.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Згідно з метою та задачами досліджень у дисертації одержані такі наукові та практичні результати:

1. Для розрахунку на міцність комбінованих з'єднань деталей із КМ зі змінними параметрами при довільному термомеханічному навантаженні синтезовано уніфіковану математичну модель НДС з'єднання.

2. На основі фундаментальних рівнянь механіки деформівного твердого тіла побудовано математичну модель деформування з'єднувальних зв'язків довільної структури та одержано залежності для визначення коефіцієнтів податливості, що входять у канонічну систему рівнянь НДС з'єднання. Розроблено методику та відповідні алгоритми оцінки міцності та прогнозування остаточної несучої здатності комбінованих зв'язків.

3. Виявлено аналогію синтезованої розрахункової схеми з електричним колом і показано, що на основі правил Кірхгофа можно одержати систему рівнянь, яка за структурою аналогічна тій, яка була одержана на основі механіки деформівного твердого тіла. Використання електричної аналогії допоможе спростити експерименти над з'єднанням зі змінними параметрами при складному термомеханічному навантаженні та зменшити їх собівартість.

4. Проведений аналіз чисельних експериментів дослідження впливу коефіцієнтів податливості, розрахованих за запропонованими залежностями, а також за відомими залежностями фірм Boeing, Douglas та ЦАГІ, на розподіл зусиль уздовж з'єднання та на величину максимальних напружень дозволяє стверджувати таке:

- починаючи з величини коефіцієнта податливості клейового шару за моделлю Фолькерсена, значення максимальних напруг практично не залежить від вибору формул, що є підставою для рекомендацій щодо доцільності застосування залежностей при розрахунках комбінованих з'єднань;

- на основі порівняння максимальних напружень в КЕ, що були розраховані із застосуванням запропонованих формул, а також залежностей фірм Douglas і Boeing, з напруженнями, отриманими за формулами ЦАГІ, які є керівними матеріалами, показано, що, по-перше, для кріпильних мікроелементів (діаметром 1...2 мм) найменшу похибку в оцінці максимальних напружень дають формули фірми Douglas (±10%); по-друге, у разі використання формул ХАІ, які базуються на „розмазуванні” жорсткості КЕ по характерному об'єму матеріалу деталей, зі збільшенням товщини з'єднаних деталей похибка різко знижується і для типових значень товщин силових елементів конструкції літальних апаратів знаходиться в межах ±15%; по-третє, починаючи з поверхневої щільності розміщення КЕ більше ніж 3,14%, запропоновані залежності можна надійно використовувати для розрахунку простих та комбінованих зв'язків при утворенні отворів без перерізання волокон;

- дослідження впливу ступеня дискретизації при розрахунку з'єднання на величину НДС його компонентів показали, що для досягнення десятипроцентного відхилення максимальних напружень у з'єднувальному шарі за дискретною моделлю порівняно з аналітичним рішенням необхідно, щоб ступінь дискретизації з'єднання був не менше 50 ділянок на 100 мм.

5. У роботі одержано аналітичні залежності для прогнозування залишкової міцності з'єднувального шару, які можна використовувати при проектуванні - виборі структури та основних параметрів. Побудовано залежності поверхневої щільності комбінації клей + КЕ для КЕ із різних материалів, за допомогою яких було доведено, що для КЕ діаметром 1 мм (для КЕ із В95 діаметром 2 мм) залишкову міцність не нижче вихідної можна забезпечити, якщо поверхнева щільність установки КЕ буде більше 3,14%, що збігається з умовами забезпечення максимальної ефективності комбінованого зв'язку, оскільки дослідження показали, що система клей + КЕ має найбільшу несучу здатність при діаметрах КЕ 1...3 мм, тобто клеємеханічне з'єднання ефективне при використанні кріпильних мікроелементів.

6. У результаті аналізу експериментальних досліджень статичної міцності з'єднань вуглепластика зі сталлю за допомогою мікроелементів (діаметром 1 мм), що були запресовані з різною поверхневою щільністю, з двома традиційними болтами (діаметром 6 мм) і без них побудована і відпрацьована методика оцінки залишкової несучої здатності під час руйнування окремих (перших) елементів. Теоретична остаточна статична міцність відрізняється від експериментальних значень не більше ніж на 15,3%.

7. Розроблені методика і алгоритм проектування з'єднань за умови статичної міцності з урахуванням зміни температури при експлуатації. Чисельні експерименти показали, що урахування впливу температури дозволяє суттєво зменшити довжину стику та масу з'єднання. Так, у розглянутих випадках урахування температури при проектуванні з'єднання привело до зменшення довжини стику на 25% і маси з'єднання на 35,8%.

з'єднання силовий міцність статичний

Основні результати дисертації викладено в таких публікаціях

1. Карпов Я.С., Кривенда С.П. Принципы конструирования металлокомпозитных гетерогенных структур и их взаимосвязь с проектными параметрами агрегатов летательных аппаратов // Авиационно-космическая техника и технология: Труды Харьк. авиац. ин-та им. Н.Е. Жуковского. - Х., 1995. - С. 343 - 349.

2. Кривенда С.П. Проектирование механических соединений // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сб. науч. трудов ХАИ. - Х., 1995. - С. 53 - 58.

3. Кривенда С.П. Проектирование соединения на основе металлокомпозитных гетерогенных структур // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сб. науч. трудов ХАИ. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1996. - С. 68 - 74.

4. Кривенда С.П. Обработка результатов испытания образцов соединений // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. - Х.: Гос. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”, 1998. - Вып. 6. - С. 205 - 209.

5. Кривенда С.П. О применении теории электрических цепей для определения напряжений в соединениях // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. трудов. - Х., 2001. - Вып. 27(4). - С. 115 - 118.

[1] - автору належать результати з визначення областей використання різних способів з'єднання та їх комбінацій.

АНОТАЦІЯ

Кривенда С.П. Розрахунок на міцність комбінованих багатоелементних з'єднань деталей літальних апаратів із композиційних матеріалів. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.03 - міцність літальних апаратів. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2003 р.

Дисертацію присвячено розробці методики розрахунку комбінованих багатоелементних з'єднань деталей ЛА із КМ при складному термомеханічному навантаженні, а також методики їх проектування, які базуються на синтезованій математичній моделі НДС елементів цих з'єднань.

Синтезована математична модель НДС з'єднання довільного складу, що знаходиться при складному термомеханічному навантаженні, забезпечує достатню для проектування точність і простоту. Незалежність розмірності і виду системи рівнянь від типу використаних з'єднувальних елементів та кількості точок навантаження з'єднання (по краях стику та в його межах) забезпечує високу ступінь уніфікації цієї моделі. На основі запропонованої моделі розроблено методику розрахунку несучої здатності з'єднання, в якій нововведенням є розрахунок міцності комбінованого силового зв'язку довільної структури. Крім того, розроблена модель була використана при синтезі методики проектування з'єднання довільної структури з урахуванням впливу температури на НДС елементів цього з'єднання.

Проведені дослідження дали змогу сформулювати рекомендації щодо відбору моделей для елементів з'єднувального шару, а також щодо призначення доцільного ступеня дискретизації моделі з'єднання. На основі результатів досліджень було виявлено можливість використання моделі для оцінки залишкової несучої здатності з'єднання, що руйнується, а також сформульовано рекомендації щодо забезпечення підвищеної живучості як ділянки з'єднувального шару, так і всього з'єднання.

Результати дисертації впроваджені в навчальний процес.

Ключові слова: з'єднання зі змінними параметрами, комбінований з'єднувальний шар, напружено-деформований стан, термомеханічне навантаження.

АННОТАЦИЯ

Кривенда С.П. Расчет на прочность комбинированных многоэлементных соединений деталей летательных аппаратов из композиционных материалов. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.03 - прочность летательных аппаратов. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2003 г.

Диссертация посвящена разработке методики расчета комбинированных соединений деталей ЛА из КМ при сложном термомеханическом нагружении, а также методики их проектирования, базирующихся на математической модели НДС элементов этих соединений.

Синтезированная модель НДС комбинированных многоэлементных соединений, находящихся под действием сложного термомеханического нагружения, позволяет обеспечить достаточную для проектирования точность и простоту. Независимость размерности и вида системы разрешающих уравнений от типа используемых соединительных элементов (способов соединения) и количества точек нагружения (по краям стыка и в его пределах) обеспечивает высокую степень унификации данной модели. На базе предложенной модели разработана методика расчета несущей способности соединения, в которой новшеством является расчет на прочность соединительной связи произвольной структуры.

Для упрощения и удешевления исследований комбинированных многоэлементных соединений с имитацией сложного термомеханического нагружения была предложена электрическая модель соединения. В работе показано, что математическая модель электрической цепи, базирующаяся на правилах Кирхгофа, идентична математической модели соединения, основанной на классических зависимостях механики деформируемого твердого тела и строительной механики.

Исследования, результаты которых представлены в работе, были направлены на решение следующих задач: определение условий, при которых достоверность модели будет достаточно высокой; отработка методики и алгоритмов проектирования соединения, учитывающих особенности термомеханического нагружения и взаимодействия компонентов комбинированного соединительного слоя при передаче нагрузки.

В ходе решения первой задачи были изучены: влияние изменения значений податливости соединительного слоя, связанные с применением различных моделей его компонентов, на НДС соединения; влияние степени дискретизации модели соединения на сходимость результатов расчета с аналитическим решением; влияние степени дискретизации комбинированного соединительного слоя на НДС его компонентов. По результатам исследований были сформулированы рекомендации.

Для качественного выполнения второй задачи, т.е. разработки методики и алгоритмов проектирования были изучены: особенности распределения нагрузки в разрушаемом соединении (его остаточная прочность), условия обеспечения максимальной эффективности по прочности комбинированного соединительного слоя и условия обеспечения его повышенной живучести, а также степень влияния температурного поля на параметры соединения. По результатам исследования были сформулированы рекомендации по повышению эффективности процесса проектирования соединения путем поэтапного решения задачи; синтезирована методика проектирования, позволяющая учитывать влияние разницы температур изготовления и эксплуатации стыка на первых этапах его разработки, и отработан алгоритм проектирования. За основу методики принята предложенная модель НДС соединения.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс.

Ключевые слова: соединение с переменными параметрами, комбинированный соединительный слой, напряженно-деформированное состояние, термомеханическое нагружение.

SUMMARY

Krivenda S.P. Strength analysis of combined multi-element joints of aircraft articles made of composites. Manuscript. Thesis for defending candidate of technical science according to specialty 05.07.02 - strength of aircraft. National aerospace university named after N.E. Zhycovsky “KhAI”, Kharkiv, 2003.

The thesis is devoted to working out analysis method of combined multi-element joints of aircraft articles made of composites at complex thermal and mechanical loading and these articles design methods, based on synthesized mathematical model of stressed-strained state of these joints elements.

Synthesized mathematical model of stressed-strained state of arbitrary composition joint at complicated thermal and mechanical loading provides enough simplicity and precision for design. Independence of dimension and form of equation system on type of used joining elements and quantity of joint loading points (along the joint edge and inside of joint) ensures high unified degree of this model. The analysis method based on suggested model for joint load carrying ability is worked out. In this model the strength analysis of combined load carrying connection of arbitrary structure is the innovation. Besides worked out model was used for synthesis of design method of arbitrary structure joint, taking into consideration temperature influence on this joint elements stressed-strained state.

Provided researches permitted to compose recommendations for models selection of joining layer elements and for suitable discontinuity of joint model. The possibility of the model application, based on research results, was proved for estimation of residual load carrying ability of joint that breaks. Recommendations for high surviveability ensuring either joining layer section or entire joint were formulated.

The main results of the thesis are introduced to studying process.

Key words: joint with varied parameters, combined joining layer, stressed-strained state, thermal-mechanical loading.

Підписано до друку 29.03.2004 р.

Умовн. друк. арк. 1. Тираж 100 екз. Заказ №

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр “ХАІ”

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu

Размещено на Allbest.ur