Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 539.3

О МОДЕЛИРОВАНИИ И РАСЧЕТЕ ГИБРИДНЫХ БАКОВ И СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Е.В. Амелина, spin-код: 8814-0913, e-mail: amelina.evgenia@gmail.com

К.С. Воронкова, e-mail: golushko.ks@gmail.com

С.К. Голушко, spin-код: 8826-8439, e-mail: s.k.golushko@gmail.com

А.В. Юрченко, spin-код: 6840-1232, e-mail: andrey.yurchenko@gmail.com

Аннотация

гибридный композитный бак деформированный

Композитные гибридные баки высокого давления активно внедряются в ракетно-космической отрасли, где к ним предъявляются повышенные требования. Необходимость удовлетворения этим требованиям заставляет проводит экспериментальные программы и теоретические исследования. В настоящей работе рассмотрены теоретические аспекты проектирования гибридных композитных баков высокого давления (COPV): построены модели композитных гибридных баков и сосудов высокого давления на основе различные теорий механики деформирования, исследовано влияние на характер напряженно-деформированного состояния и запас прочности баков различных параметров и характеристик материалов, геометрии и вида закрепления.

Ключевые слова: баки и сосуды высокого давления, углепластиковые оболочки, лейнер, гибридные металл-углепластиковые конструкции, теории оболочек, пространственная теория упругости.

Гибридные баки и сосуды высокого давления являются важными элементами многих современных конструкций, в том числе перспективных космических транспортных и спутниковых систем (см. рис. 1, 2), предназначенных для длительной эксплуатации [1, 2].

Баки и сосуды используются для хранения топлива маневровых двигателей, заполняются инертным газом под высоким давлением, снижающимся по мере использования топлива. К таким конструкциям предъявляются повышенные требования в связи с их эксплуатацией в открытом космосе, высокими перегрузками во время старта и доставки спутниковой системы на орбиту. Наряду с требованиями по обеспечению необходимой прочности и жесткости, остро стоит проблема снижения веса баков и сосудов, устанавливаемых на космических аппаратах. В настоящее время наиболее перспективным считается подход, в рамках которого такие конструкции проектируются и создаются в виде гибридных оболочек с металлическим (титановым) лейнером, укрепленным углепластиковой оболочкой.

Цель настоящей работы заключается в исследовании подходов к моделированию и расчету гибридных баков и сосудов высокого давления, изучению возможностей по их оптимизации. Для этого поставлена задача расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) баков различной конфигурации и параметрического анализа их прочности и жесткости в зависимости от геометрических параметров конструкции и ее элементов, структурных параметров и механических характеристик композиционного материала, вида и параметров сопряжения отдельных оболочек, закрепления и нагружения конструкции в целом.

Для решения задачи расчета НДС гибридных баков и сосудов высокого давления рассмотрено несколько моделей на основе пространственной теории упругости и различных вариантов теории оболочек: Кирхгофа-Лява [3], Тимошенко [4], Андреева-Немировского [5] с применением различных структурных моделей композиционного материала [6 - 8]. Численные расчеты по теориям оболочек выполнены с использованием авторского комплекса программ для расчета НДС круглых пластин, одиночных и составных оболочек вращения, в котором для решения краевых задач используются метод дискретной ортогонализации, реализованный в авторском пакете программ GMDO [9], и метод сплайн-коллокации, реализованный в пакете программ COLSYS [10]. Численные расчеты в рамках пространственной теории упругости выполнены в CAE системе конечно-элементного моделирования и анализа COMSOL™ (см. рис. 3).

Проведено сравнение результатов расчетов в рамках различных теорий оболочек и пространственной теории упругости на гибридных баках с изотропными слоями, позволившее выявить особенности применения теорий оболочек, связанные с учетом влияния поперечных сдвигов (см. рис. 4). Сформулирован ряд проблем, связанных с моделированием закрепления баков и соединений отдельных оболочек, из которых состоит конструкция в целом. Проведен параметрический анализ влияния на запас прочности гибридной композитной конструкции ее геометрических характеристик, структуры армирования углепластиковой оболочки, позволяющий оценить перспективы постановки и решения оптимизационых задач.

Показано, что различие между результатами, получаемыми в рамках различных теорий оболочек, существенно только вблизи мест закрепления и переходных зон, которые определяются на этапе построения конструкции. Это открывает возможность построения и применения гибридных расчетных схем, в рамках которых в местах закрепления и переходных зонах применяются уточненные теории, учитывающие поперечные сдвиги в слоях, а в остальных сегментах конструкции используются более простые уравнения теорий оболочек Кирхгофа-Лява и Тимошенко. Показано, что для тонких однослойных оболочек НДС конструкции достаточно точно описывается в рамках теории Кирхгофа-Лява. Параметрический анализ прочности и жесткости гибридных композитных баков показал, что изменением структурных параметров углепластиковой оболочки можно добиться значительного перераспределения напряжений в слоях композита, между композитной оболочкой и лейнером, между различными сегментами оболочки (см. рис. 5), что открывает широкие перспективы по оптимизационному проектированию гибридных баков и сосудов высокого давления.

Библиографический список

1. Harold D. Beeson, Dennis D. Davis, William L. Ross, Sr., Ralph M. Tapphorn. Composite Overwrapped Pressure Vessels // NASA/TP-2002-210769. Available electronically at http://gltrs.grc.nasa.gov/. Jan. 2002. - 268 p.

2. John C. Thesken, Pappu L.N. Murthy, S.L. Phoenix, et al. A Theoretical Investigation of Composite Overwrapped Pressure Vessel (COPV) Mechanics Applied to NASA Full Scale Tests // NASA/TM-2009-215684. Available electronically at http://gltrs.grc.nasa.gov/. Sep. 2009. - 28 p.

3. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л.: Судпромгиз, 1951. - 344 с.

4. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966. - 636 с.

5. Андреев А.Н., Немировский Ю.В. К теории упругих многослойных анизотропных оболочек // Изв. АН СССР. МТТ, 1977. №5. С. 87-96.

6. Немировский Ю.В., Резников Б.С. Прочность элементов конструкций из композиционных материалов. Новосибирск: Наука, 1986. - 165 с.

7. Немировский Ю.В. К теории термоупругого изгиба армированных оболочек и пластин // Механика полимеров, 1972. № 5. С. 861-873.

8. Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. М.: Машиностроение, 1980. - 375 c.

9. Golushko S.K., Yurchenko A.V. Solution of boundary value problems in mechanics of composite plates and shells // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling, 2010. Vol. 25. N. 1. P. 27-55.

10. Ascher U., Christiansen J., Russel R.D. Collocation software for boundary value ODEs // ACM. Trans. on Math. Software, 1981. Vol. 7. N. 2. P. 209-222.

Размещено на Allbest.ru