Оптимальне проектування композитних корпусів літальних апаратів зі стільниковим заповнювачем на основі синтезу методу скінченних елементів і аналітичних моделей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

УДК 629.7.023

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОПТИМАЛЬНЕ ПРОЕКТУВАННЯ КОМПОЗИТНИХ КОРПУСІВ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ ЗІ СТІЛЬНИКОВИМ ЗАПОВНЮВАЧЕМ НА ОСНОВІ СИНТЕЗУ МЕТОДУ СКІНЧЕННИХ ЕЛЕМЕНТІВ І АНАЛІТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ

Спеціальність: 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

Кондратьєв Андрій Валерійович

Харків - 2009

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 Гайдачук Віталій Євгенович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», завідувач кафедри проектування ракетно-космічних апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гребеніков Олександр Григорович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», завідувач кафедри проектування літаків і вертольотів;

кандидат технічних наук Клопота Анатолій Васильович, Авіаційний науково-технічний комплекс ім. О.К.Антонова, начальник бюро вуглепластиків НДВ КМ.

Захист відбудеться «20» березня 2009 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий «9» лютого 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.М. Застела

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основним критерієм оцінки конструкцій сучасної аерокосмічної техніки є її конкурентоспроможність на світовому ринку, яка реалізується за рахунок зниження вартості конструкцій, підвищення їх ефективності та істотного зниження польотної маси. Так вартість 1 кг корисного вантажу при авіаційних перевезеннях складає 1…2 тис. $ США, а для ракетно-космічної галузі вартість виведення на орбіту 1 кг маси складає 10…100 тис. $ США. Одним з пріоритетних напрямків зі зниження польотної маси агрегатів оболонкового типу є широке використання тришарових конструкцій, елементи яких складаються з двох несучих шарів з полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) низької щільності при високих характеристиках міцності та жорсткості в поєднанні з легким стільниковим заповнювачем (СЗ) між ними. Хоча такі конструкції знайшли широке застосування в авіаційній та ракетно-космічній техніці починаючи з 60-х років минулого століття, але до теперішнього часу відсутні загальноприйняті підходи до їх оптимального проектування за масою. Це спричинено тим, що методи оптимізації, які використовуються для тонкостінних конструкцій з ізотропних матеріалів, часто виявляються непридатними або недостатньо точними для тришарових агрегатів із ПКМ зі СЗ.

Наявність неминучих технологічних відхилень в баготовідсікових тришарових оболонках із ПКМ зі СЗ в межах нормованих допусків, а також регламентоване теплове навантаження на конструкцію вимагає обов'язкової перевірки забезпечення несучої спроможності її оптимального варіанту з урахуванням відповідного погіршення фізико-механічних характеристик (ФМХ) матеріалів конструктивних елементів.

Збільшення маси тришарових конструкцій за рахунок наявності в них всіляких локальних підсилень, з'єднань та стиків може досягати 20%, а в деяких випадках 45…60 %, що свідчить про принципову необхідність оптимізації за масою конструктивних параметрів підсилення цих зон.

Все сказане вище свідчить про актуальність розробки комплексного підходу до оптимізації за масою параметрів баготовідсікових тришарових оболонок із полімерних композитів зі СЗ для авіакосмічної техніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В дисертації використані дослідження, виконані здобувачем в рамках реалізації фундаментальної держбюджетної теми: № ДР 0106U001060 Міністерства освіти і науки України «Створення наукових основ проектування та виробництва композитних конструкцій авіаційно-космічної техніки», направленої на виконання Державної комплексної програми розвитку авіаційної промисловості України до 2010 р. та Загальнодержавної (Національної) космічної програми України.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертації є зниження маси корпусів літальних апаратів (ЛА) шляхом оптимізації їх параметрів на основі синтезу методу скінченних елементів (МСЕ) та нових моделей СЗ.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані та вирішені наступні задачі:

- на основі синтезу МСЕ та нових аналітичних моделей СЗ розроблена концепція мінімізації маси багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ з багатоетапним алгоритмом реалізації;

- розроблено моделі для визначення ФМХ СЗ з урахуванням технології його виготовлення;

- запропоновано та реалізовано підхід до оптимізації за масою параметрів локальних зон підсилення, який реалізується в рамках синтезу МСЕ і аналітичних моделей СЗ;

- розроблені концепція, підхід та алгоритми що їх реалізують, а також рекомендації впроваджені на підприємствах авіаційно-космічного профілю та в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут».

Об'єкт дослідження - проектування та конструювання виробів авіакосмічного призначення.

Предмет дослідження - моделі і алгоритми оптимізації за масою параметрів багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ.

Методи дослідження. Для визначення несучої спроможності та оптимізації за масою проектних параметрів багатовідсікових тришарових оболонок із композитів зі СЗ в регулярних та нерегулярних зонах застосовано стандартний комплекс МСЕ з розробленим багатоетапним алгоритмом реалізації. Для дослідження роботи СЗ при його поперечному стисненні та поздовжньому зсуві використано методи та математичні моделі механіки деформівного твердого тіла в пружній постановці. Уточнення існуючих аналітичних залежностей для визначення ФМХ СЗ здійснено коректуючими функціями, отриманими на основі чисельного експерименту зі скінченноелементною моделлю з подальшою апроксимацією. При розробці класифікатора нерегулярних зон багатовідсікових тришарових оболонок використана теорія класифікацій. Для визначення приведених ФМХ параметрів підсилення СЗ в локальних зонах застосовані методи технологічної механіки, механіки деформівного твердого тіла в пружній постановці. Дослідження адекватності прийнятих математичних моделей проведено за допомогою чисельних експериментів зі скінченноелементними моделями, які побудовані в стандартному комплексі МСЕ. Синтез МСЕ та нових моделей СЗ здійснено уведенням в стандартний комплекс МСЕ отриманих аналітичних залежностей для визначення ФМХ СЗ з урахуванням технології його виготовлення із подальшим їх використанням в процесі варіювання геометричними параметрами чарунки та висоти стільника при мінімізації маси багатовідсікових тришарових оболонок.

Наукова новизна одержаних результатів. Найістотнішими елементами наукової новизни є наступні результати.

1. Вперше запропонована та реалізована концепція мінімізації маси багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ в рамках синтезу нових аналітичних моделей СЗ із стандартним комплексом МСЕ, який дозволяє при одночасній оптимізації схеми укладання НШ, геометричних параметрів СЗ та шпангоутів повною мірою врахувати практично весь спектр зовнішніх навантажень за будь-яким законом їх зміни.

2. Вперше запропоновані математичні моделі стільників та реалізуючі їх методи уточнення ФМХ при поперечному стисненні та поздовжньому зсуві з урахуванням поетапного навантаження СЗ та його технології виготовлення. Здійснено уточнення існуючої аналітичної залежності ФМХ СЗ від геометричних параметрів його чарунки, що дозволило врахувати відхилення значень ФМХ СЗ при його різних висотах, які спостерігаються в експериментах.

3. Вперше розроблено підхід до оптимізації за масою відповідних параметрів підсилення для запропонованого в роботі класифікатора масиву нерегулярних зон тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ, що включає істотно вдосконалені складові фрагментів відомих класифікацій, а також нові фрагменти.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблена нова концепція мінімізації маси багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ в їх регулярних та нерегулярних зонах забезпечує реалізацію потенційних можливостей зниження маси їх конструктивних елементів (НШ, СЗ, шпангоутів) при регламентованій несучій спроможності (міцності та стійкості) з урахуванням наявності неминучих технологічних відхилень в конструктивних елементах та погіршення їх ФМХ при тепловому навантаженні на конструкцію.

2. Реалізація запропонованої концепції при оптимізації конструктивних параметрів в регулярній зоні головного обтічника ракети-носія «Циклон-4» виявила її ефективність, що проявилося в зниженні маси оптимального виробу на 15% в порівнянні з початковим варіантом, розробленим Державним підприємством «Конструкторське бюро «Південне» ім. М.К. Янгеля». Синтез МСЕ та нових аналітичних моделей найслабшої ланки даного класу конструкцій - СЗ при мінімізації маси баготовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ, дозволив наступне:

· дати висновок про реальну несучу спроможність оптимального за масою варіанту конструкції з урахуванням наявності в гранях СЗ початкового технологічного погину в межах регламентованого допуску на нього;

· за допомогою отриманих відкоректованих аналітичних залежностей, що пов'язують ФМХ СЗ з геометричними параметрами його чарунки та висотою, знайти в процесі оптимізації раціональну висоту СЗ з урахуванням зміни його ФМХ.

4. Розроблені алгоритми та інші результати дисертації використовуються в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», а також прийняті до використовування у вигляді рекомендацій та методик при створенні багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ при проектуванні конструкцій авіаційної та ракетно-космічної техніки на ДП «КБ «Південне» та ВАТ «Український науково-дослідний інститут технології машинобудування».

Особистий внесок здобувача. В основу концепції визначення несучої спроможності в рамках стандартного комплексу МСЕ з одночасною мінімізацією маси композитних корпусів із СЗ покладено ідеї наукового керівника здобувача. Синтез МСЕ з новими аналітичними моделями СЗ, а також розробка багатоетапного алгоритму оптимізації за масою параметрів багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ в їх регулярних і нерегулярних зонах з його програмною реалізацією в рамках запропонованої концепції здійснені особисто здобувачем. Результати визначення ФМХ СЗ при поперечному стисненні і поздовжньому зсуві з урахуванням наявності в гранях СЗ початкового технологічного погину отримані здобувачем спільно із співавторами, вказаними в публікаціях. Ідея застосування коректуючих функцій, отриманих на основі МСЕ, для уточнення існуючої аналітичної залежності ФМХ СЗ при зсуві в одній з площин від геометричних параметрів його чарунки та висоти СЗ належить науковому керівнику здобувача, подальші реалізація та коректування інших ФМХ СЗ проведені здобувачем особисто. Запропонований в роботі класифікатор нерегулярних зон багатовідсікових тришарових оболонок із композитів зі СЗ, а також підхід до оптимізації за масою параметрів відповідних посилень в цих зонах належать особисто здобувачу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідалися здобувачем на 10-ти міжнародних конференціях та форумах у тому числі: «The1st Korea-Ukraine Joint Forum on Reliability in Aerospace System» (Seoul, Korea, 2007); Eighth international scientific forum «AIMS for Future Engineering Science. AFES 2007» (Winnipeg, Canada, 2007); «Людина і Космос» (м. Дніпропетровськ, 2005-2008гг.); «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні» ІКТМ (м. Харків, 2005-2007 рр.); «Ефективність стільникових конструкцій у виробах авіаційно-космічної техніки» (м. Дніпропетровськ, 2007 р.), а також на науково-технічних конференціях співробітників і студентів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», на науково-технічних семінарах кафедри 403 в 2005-2008 роках.

Публікації. Основні результати роботи містяться в 7 опублікованих статтях та збірках наукових робіт, рекомендованих переліком ВАК України, в 3 збірках матеріалів конференцій та 7 тезах доповідей.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з введення, п'яти розділів та висновків, викладена на 159 сторінках машинописного тексту, у тому числі основний текст дисертації складає 137 сторінок, містить 64 ілюстрацій, 16 таблиць і список використаних джерел з 132 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, характеризується її наукова новизна, практичне значення одержаних в ній результатів, особистий внесок здобувача, наведені відомості про апробацію, публікації та структуру роботи.

В першому розділі проведено огляд і аналіз стану проблеми мінімізації маси багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ в їх регулярних та нерегулярних зонах для авіакосмічних конструкцій, наведені основні труднощі, які виникають при цьому. На підставі критичного аналізу даної проблеми сформульовано мету та задачі дисертації.

Другий розділ роботи присвячений розробці комплексного підходу до оптимізації за масою параметрів багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ. Обґрунтовано відмову від аналітичних моделей визначення несучої спроможності та оптимізації проектних параметрів, що вимагають відповідної ідеалізації представлення тришарових агрегатів та видів зовнішніх дій на них, на користь програмних комплексів МСЕ, які дозволяють повною мірою врахувати практично весь спектр зовнішніх навантажень, прикладених до об'єкту за будь-яким законом їх зміни, в рамках синтезу МСЕ з новими аналітичними моделями найслабшої ланки даного класу конструкцій - СЗ.

Розроблена концепція мінімізації маси в рамках запропонованого синтезу МСЕ і аналітичних моделей СЗ з багатоетапним алгоритмом реалізації.

Багатоетапність алгоритму мінімізації маси даного класу конструкцій викликана тим, що велика кількість змінних проектування сильно впливає на можливість врахування особливостей тих або інших параметрів конструкції, тобто через велике число параметрів, що одночасно варіюються, є ризик «проскочити» більш раціональний варіант. Запропоновано використовувати в якості оптимізаційного відповідний вбудований модуль комплексу МСЕ. Принципова блок-схема розробленого багатоетапного алгоритму мінімізації маси. Формування відповідних блоків алгоритму здійснено на основі попередньої оцінки значущості внеску конструктивних параметрів багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ в загальну масу виробу.

Для вибору допустимого діапазону зміни значень проектних параметрів використані існуючі рекомендації щодо їх оптимальних співвідношень та технологічних можливостей з їх реалізації.

Вектор проектних параметрів представлений в наступному вигляді:

,(1)

де ( - число відсіків).

В якості мінімізуємої цільової функції була прийнята маса конструкції, що дорівнює сумі мас конструктивних складових тришарових баготовідсікових оболонок (НШ, СЗ та шпангоутів) з ПКМ із СЗ у всіх відсіках:

,(2)

де - загальна маса конструкції; , , - відповідно маса НШ, СЗ та шпангоутів.

При цьому маса клею, що скріплює НС зі СЗ, може бути врахована або додатково, або її приєднанням до маси НС або СЗ залежно від технології збірки-склеювання оболонки.

В першому блоці оптимізації в якості змінних проектування запропоновано використовувати порядок, товщину та кути укладання шарів, які утворюють сумарну товщину НШ , висоту СЗ та параметри поперечного перетину шпангоутів при фіксованому значенні ФМХ СЗ для чарунки шестигранної форми. На даному етапі в залежності від технології виготовлення можуть бути використані розроблені рекомендації попереднього аналізу ефективності схем армування НШ, що дозволили зробити висновок про те, що при оптимізації схеми армування НШ із ПКМ можна виходити з квазіоднорідної структури, яка відповідає схемі укладання моношарів: 0_0,25s; ±45_0,5s; 90_0,25s. Проте керуючи неоднорідністю за товщиною НШ та кутом укладання можна отримати додаткове зниження маси. Слід враховувати також те, що ретельну відповідність квазіоднорідній структурі армування може бути реалізовано лише при восьми та більш моношарах.

Зафіксовані значення отриманих оптимальних параметрів першого блоку оптимізації поступають у другий блок, де шляхом варіювання геометричних параметрів чарунки СЗ , в кожному відсіку оптимізуються структура СЗ.

В якості обмежень в кожному блоці багатоетапного алгоритму мінімізації маси регулярної зони багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ в стандартному комплексі МСЕ виступають запаси міцності НС, СЗ та шпангоутів з урахуванням специфіки їх роботи, а також стійкості об'єкту в цілому. При цьому в кожному блоці оптимізації проводиться повний перебір заданих для нього проектних параметрів з мінімізацією маси при задоволенні одночасно всіх обмежень для регламентованих розрахункових випадків навантаження. При визначенні потрібних запасів міцності СЗ в перших двох блоках оптимізації були використані синтезовані зі стандартним комплексом МСЕ відповідні аналітичні вирази.

Після визначення оптимальних параметрів чарунки СЗ отримані дані передаються в третій перевірочний блок. Особливістю даного перевірочного блоку є те, що конструктивні елементи багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ запропоновано розглядати з характерними при їх виробництві технологічними відхиленнями в межах регламентованих допусків на них. Алгоритм врахування впливу певного типу технологічного відхилення на несучу спроможність оптимального варіанту багатовідсікової тришарової оболонки із ПКМ зі СЗ реалізує модуль, в який передається інформація про регламентований допуск на даний дефект. Самі алгоритми запропоновано будувати або на основі існуючих методик врахування конкретного технологічного відхилення на несучу спроможність або за експериментальними даними.

Оскільки в процесі експлуатації даний клас конструкцій часто сприймає теплові навантаження, то в даному блоці також запропоновано здійснювати перевірку несучої спроможності оптимального варіанту багатовідсікової тришарової оболонки із ПКМ зі СЗ, що враховує погіршення ФМХ конструктивних елементів, пов'язане з підвищенням температури. Для цього в стандартному комплексі МСЕ здійснюється визначення залежності ФМХ конструктивних елементів від температури, при цьому модель МСЕ навантажується температурним полем у сукупності з навантаженнями, які були визначені раніше для регламентованого числа випадків. В даному блоці також запропоновано здійснювати контроль місцевих форм втрати стійкості конструктивних елементів багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ. Необхідність цього викликана тим, що на всіх етапах оптимізації проводиться перевірка загальної втрати стійкості багатовідсікової тришарової оболонки.

Перші три блоки запропонованої концепції вирішують задачу оптимізації параметрів в регулярній зоні. Подальші блоки запропоновано використовувати для мінімізації маси локальних зон. Цей розподіл викликаний тим, що практично неможливо реалізувати одночасну оптимізацію проектних параметрів регулярної та нерегулярної зон.

Третій розділ містить результати уточнення ФМХ СЗ, як найслабшої ланки тришарових конструкцій, з урахуванням технології його виготовлення. В першій частині розділу синтезовано підхід, що дозволяє прогнозувати характер роботи СЗ при поперечному стисненні та подовжньому зсуві з урахуванням особливостей сприйняття цих навантажень окремими елементами чарунки стільника за наявності в них початкового технологічного погину в межах регламентованого допуску на нього. Для цього був розглянутий відповідний представницький елемент СЗ, який фактично складається з шести граней одинарної фольги та трьох здвоєних граней фольги, отриманих склеюванням між собою двох шарів фольги СЗ. Враховуючи те, що в результаті дії поступово зростаючого навантаження на СЗ відбувається послідовна втрата несучої спроможності елементів, з яких складається СЗ, представницький елемент було дискретизовано на такі складові: грані одинарної товщини із стрілою початкового технологічного погину - грані I типу; грані подвійної товщини - грані II типу; в районах вигину фольги розміщені фіктивні ребра, які «з'являються» в результаті досягнення гранями II типу критичного стану при стисненні СЗ та неможливістю граней I типу перерозподілити на себе зростаюче навантаження. Вони складаються з частин граней I і II типів, «приєднаних» до кожного з ребер, що мають ті ж стискуючі напруження, що є в фіктивних ребрах.

Характер роботи умовного однорідного заповнювача еквівалентного СЗ при його поетапному навантаженні визначається законом зміни напружень в залежності від виникаючих деформацій при урахуванні особливостей сприйняття навантаження окремими елементами чарунки стільника. Відповідна цьому закону діаграма деформації будувалася виходячи з того, що зусилля, що діє в представницькому елементі з приведеним заповнювачем, дорівнює сумі зусиль, які діють в дискретних складових стільника. Для поперечного стиснення представницького елемента СЗ дана умова приймає вигляд:

,(3)

стільниковий багатовідсіковий мінімізація маса

де - сумарне зусилля в представницькому елементі, що діє в приведеному заповнювачі, еквівалентному СЗ; - зусилля, що діє в грані I типу; - зусилля, що діє в грані II типу; - зусилля у фіктивному ребрі.

Другу частину розділу присвячено врахуванню впливу висоти СЗ на його ФМХ. Було розглянуто СЗ з найбільш технологічною та використовуваною правильною шестигранною чарункою (К=1). Існуючу аналітичну залежність для визначення ФМХ СЗ було уточнено наступними коректуючими функціями:

(4)

де індекс «б» при параметрі означає їх базове (фіксоване) значення; параметр без цього індексу - варірується; - величини ФМХ СЗ, які визначені за стандартними методиками для даних схем випробувань за допомогою побудованих в стандартному комплексі МСЕ моделей, що імітують відповідні випробування СЗ; - величини ФМХ СЗ, що знайдені за існуючими аналітичними залежностями при базових параметрах геометрії чарунки СЗ. При цьому вибір базових (фіксованих) параметрів не принциповий та може бути будь-яким, проте при цьому треба гармонізувати відповідні графіки і таблиці, що побудовані на базі реалізації моделі МСЕ.

Основна перевага запропонованих коректуючих функцій полягає в тому, що вони, на відміну від емпіричних коефіцієнтів, є інтегральним теоретичним описом неявного взаємного зв'язку між зміною геометричних параметрів чарунки та висоти СЗ, спільно синтезуючих ФМХ СЗ. Враховуючи те, що із зростанням висоти СЗ його ФМХ зменшуються, вид залежності для ФМЗ СЗ було представлено як:

,(5)

де - коефіцієнт масштабного чинника моделі МСЕ, що враховує достатність кількості чарунок СЗ в моделі МСЕ для незалежності від їх числа.

Після побудови графіків залежностей коректуючих функцій їх апроксимують поліномом другого ступеня за відповідними базовими змінними та підставляють аналітичні вирази для визначення ФМХ СЗ із правильною шестигранною чарункою у вираз (5) для отримання модифікованих виразів для визначення ФМХ СЗ з урахуванням його висоти.

Графіки залежності функцій ФМХ СЗ та при фіксованій ширині чарунки СЗ мм для різних значень товщини фольги та висоти СЗ.

В останньому підрозділі дано рекомендації щодо використання отриманих результатів в розробленому в розділі 2 багатоетапному алгоритмі мінімізації маси багатовідсікових композитних оболонок в рамках запропонованого синтезу нових аналітичних моделей СЗ із МСЕ, що полягають в алгоритмі реалізації відповідного модуля з обліку наявності в гранях СЗ початкового технологічного погину в третьому перевірочному блоці. Також запропоновано використовувати отримані відкоректовані аналітичні залежності для визначення ФМХ СЗ з урахуванням його висоти, що дозволяє в процесі оптимізації знайти раціональну висоту СЗ при зміні його ФМХ.

Четвертий розділ присвячений розробці підходу до оптимізації за масою параметрів локальних зон підсилення для тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ, який реалізувався б в рамках запропонованого синтезу аналітичних моделей СЗ із стандартним комплексом МСЕ.

Для виділення найефективніших форм місцевого підсилення елементів відповідних нерегулярних зон та їх взаємодії між собою при передачі на них навантажень запропонований класифікатор даних зон. В основу його побудови було покладено дві генеральні класифікаційні ознаки, перша з яких характеризує силові дії на локальну зону, а друга - тип конструктивно-технологічного рішення для цієї зони, що сприймає відповідний вид дій. Першу з цих ознак зумовлює характер (вигляд) другої, який є супідрядним першому. У свою чергу кожна з цих генеральних класифікаційних ознак диференціюється на ряд супідрядних.

Визначені приведені ФМХ параметрів можливих форм підсилення СЗ. Для різних ФМХ заливального матеріалу стільника з урахуванням можливої послідовної втрати стійкості його граней рівномірно розподіливши жорсткості складових отриманої композиції по всьому перетину представницького елемента СЗ, отримані вирази для приведених пружних ФМХ умовного заповнювача, що еквівалентний отриманій композиції СЗ, з виділеними проектними параметрами для подальшої оптимізації за масою.

Для розглянутої типової локальної зони тришарової оболонки із ПКМ зі СЗ - закладення торця для передачі зосереджених навантажень на один з НШ з включенням СЗ в роботу на зсув в місці стику, в рамках запропонованого синтезу наведено представлення її математичної моделі в стандартному комплексі МСЕ.

В розділі запропоновано при виборі геометричного контуру параметрів підсилення використовувати картину розподілу приведених напружень за Мізесом, тобто вважати її якісною картиною розподілу силового потоку, що дозволяє судити про обґрунтований вибір геометричної форми можливого підсилення для НШ та відповідній їй зони місцевого підсилення СЗ. На базі прив'язки до геометричної форми отриманої «пелюстки» приведених напружень запропоновано проводити нову генерацію сітки МСЕ: зона «пелюстки» та зона зовні «пелюстки». У свою чергу зону «пелюстки» запропоновано розбити на декілька підзон. При варіюванні геометричними параметрами даних підзон в процесі оптимізації за масою вся зона підсилення у вигляді «пелюстки» прагне отримати найраціональнішу форму, наближаючись до геометрії виникаючого силового потоку. В кожній з підзон були задані відповідні змінні проектування, що характеризують місцеве підсилення НШ. Це в результаті дозволило отримати раціональні параметри накладки підсилення змінної товщини. На рис. представлено розбиття зони «пелюстки» приведених напружень на три відповідні підзони.

Вектор проектних параметрів для НШ був заданий в наступному вигляді:

(6)

де - число підзон, на яке розбита зона «пелюстки»; - товщина НШ в ій підзоні розбиття зони «пелюстки».

При посиленні СЗ зміною геометричних параметрів його чарунки вектор проектних параметрів для оптимізації за масою нерегулярної зони багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ був представлений як:

(7)

При посиленні СЗ заливальним матеріалом з густиною вектор проектних параметрів має вигляд:

(8)

Як обмеження при оптимізації запропоновано прийняти міцності параметри для пакету НШ в цілому при оптимальній схемі армування в регулярній зоні та синтезовані з комплексом МСЕ аналітичні залежності для визначення характеристик міцності СЗ. При цьому як активні обмеження додаються також синтезовані з комплексом МСЕ аналітичні умови послідовної втрати стійкості граней СЗ із заливкою, які на різних кроках оптимізації визначають вид розрахункових формул для визначення ФМХ отриманої композиції.

При розподіленій схемі навантаження нерегулярної зони тришарової оболонки із ПКМ зі СЗ «пелюстка» приведених напружень буде відсутня: приведені напруження в цьому випадку розподіляються уздовж всієї навантаженої поверхні НШ на певну глибину. В цьому випадку запропоновано у векторах проектних параметрів та в якості конструктивних змінних використовувати не геометричні контури «пелюстки» приведених напружень, а відповідні параметри поглиблення.

В п'ятому розділі дисертації наведені відомості про форми та характер впровадження основних результатів досліджень. Викладені результати оптимально проектування ГО РН «Циклон-4», маса якого знижена на 15% відносно початкового проекту, розробленого ДП «КБ «Південне»».

ВИСНОВКИ

Відповідно до поставленої мети в дисертації отримані наступні наукові та практичні результати.

1. Запропонована та реалізована концепція мінімізації маси багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ в рамках синтезу МСЕ і аналітичних моделей з багатоетапним алгоритмом реалізації, яка дозволяє наступне:

· повною мірою врахувати практично весь спектр зовнішніх дій, прикладених до об'єкту за будь-яким законом їх зміни;

· оптимізувати основні конструктивні параметри в межах кожного відсіку, що в свою чергу дозволяє виявити та реалізувати повною мірою резерви зниження маси, які не використовуються при колишній орієнтації на оптимальні параметри найбільш навантаженого відсіку, що приймаються для всього виробу в цілому;

· проводити глибокий рівень одночасної оптимізації схеми укладання НШ, геометричних параметрів СЗ та шпангоутів, що реалізує практично вичерпні можливості ПКМ та СЗ на сучасному рівні технологій їх виробництва;

· врахувати погіршення ФМХ конструктивних елементів, яке спричинене наявністю в них неминучих технологічних відхилень в межах регламентованих допусків на них та теплового навантаження на об'єкт, що дає максимально наближене уявлення про дійсну несучу спроможність конструкції.

2. Реалізація запропонованої концепції для оптимізації конструктивних параметрів в регулярній зоні реального виробу - ГО РН «Циклон-4» виявила її ефективність, що виразилася в зниженні маси оптимального виробу на 15% в робочому варіанті в порівнянні з початковим його варіантом, розробленим ДП «КБ «Південне»». Запропонований підхід, що дозволяє прогнозувати характер роботи СЗ та визначити його ФМХ з урахуванням особливостей сприйняття навантаження окремими елементами чарунки стільника за наявності в них початкового технологічного погину в межах регламентованого допуску на нього.

3. Отримані відкоректовані аналітичні залежності, що пов'язують ФМХ СЗ з геометричними параметрами його чарунки та висотою СЗ, які, на відміну від існуючих залежностей, дозволяють врахувати відхилення значень ФМХ СЗ при його різних висотах, що спостерігаються в експериментах

4. Дано рекомендації щодо використання ФМХ СЗ в запропонованій концепції мінімізації маси багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ, що дозволяють наступне:

· знайти в процесі оптимізації раціональну висоту СЗ з урахуванням зміни його ФМХ;

· синтезувати модуль перевірочного блоку, в якому дається висновок про несучу спроможність оптимального за масою варіанту конструкції із СЗ з урахуванням наявності в його гранях початкового технологічного погину в межах регламентованого допуску на нього.

5. Запропонований класифікатор нерегулярних зон тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ, який включає в себе істотно вдосконалені складові фрагментів відомих класифікацій, а також нові не враховані фрагменти, що дозволяє за характером силової дії на дану зону вибрати найбільш ефективне КТР для її місцевого підсилення.

6. Для різних форм підсилення СЗ запропоновані аналітичні вирази, що дозволяють визначити приведені ФМХ умовного заповнювача, який еквівалентний підсиленому СЗ, що враховують відповідний характер роботи СЗ.

7. Запропонований та реалізований підхід до мінімізації маси нерегулярних зон багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ, що реалізується в рамках синтезу МСЕ та аналітичних моделей СЗ, який дозволяє визначити:

· раціональну форму накладки підсилення змінної товщини, геометричні параметри якої описують виникаючий силовий потік;

· відповідну товщину НШ для різних зон накладки підсилення;

· раціональні значення параметрів підсилення для СЗ.

8. Наведені основні форми, характер та безпосередні результати упровадження, які забезпечують:

· підвищення масової ефективності відповідальних конструкцій вітчизняної авіаційної і ракетно-космічної техніки, що розробляються на підприємствах авіаційно-космічного профілю;

· високі вимоги замовників до розрахункового рівня ФМХ металевих СЗ.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Кириченко В.В. Анализ эффективности схем армирования несущих обшивок и оптимизации свойств сотового заполнителя трёхслойных оболочечных конструкций летательных аппаратов / В.В. Кириченко, А.В. Кондратьев // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 43(4). - Х., 2005. - С. 27 - 38.

Здобувачем здійснено попередній аналіз ефективності схем армування композитної оболонки при різних навантаженнях.

2. Кондратьев А.В. Методика оптимизации по массе основных конструктивных элементов головного обтекателя ракеты-носителя из композиционных материалов / А.В. Кондратьев // Вестн. Днепропетр. Нац. ун-та. Ракетно-космическая техника. - 2006. - №.9(2). - C. 61 - 67.

3. Кондратьев А.В. Оптимизация по массе нерегулярных зон головного обтекателя ракеты-носителя / А.В. Кондратьев // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н. Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 47(4). - Х., 2006.- С. 126 - 133.

4. Кондратьев А. В. Определение модуля нормальной упругости сотового заполнителя при поперечном сжатии с учетом начального технологического несовершенства фольги / А.В. Кондратьев, Л.Н. Грицкив // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н. Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 51(4). - Х., 2007. - С. 131 - 139.

Здобувачем запропоновано підхід до визначення модуля нормальної пружності стільникового заповнювача при поперечному стисненні з урахуванням наявності в гранях його чарунок початкового технологічного погину.

5. Гайдачук В.Е. Концепция оптимизации композитных корпусов летательных аппаратов с сотовым заполнителем на основе синтеза метода конечных элементов и аналитических моделей / В.Е. Гайдачук, В.В. Кириченко, А.В. Кондратьев // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 56(5). - Х., 2008. - С. 7 - 14.

Здобувачем розроблено багатоетапний алгоритм мінімізації маси багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ з його програмною реалізацією в рамках синтезу МСЕ з новими аналітичними моделями СЗ.

6. Кондратьев А.В. Классификатор конструирования локальных зон трехслойных оболочечных систем / А.В. Кондратьев // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 53(2). - Х., 2008. - С. 138 - 144.

7. Гайдачук В.Е. Корректировка существующих аналитических зависимостей физико-механических характеристик сотового заполнителя с учетом его высоты / В.Е. Гайдачук, В.В. Кириченко, А.В. Кондратьев // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии : сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Х., 2008. - Вып. 40. - С. 5 - 12.

Здобувачем отримані відкоректовані аналітичні залежності, що пов'язують ФМХ СЗ з геометричними параметрами його чарунки та висотою СЗ.

8. Кондратьев А.В. Новая концепция оптимизации по массе многоотсековых сотовых конструкций и её реализация при проектировании головного обтекателя ракеты-носителя «Циклон - 4» / А.В. Кондратьев // Эффективность сотовых конструкций в изделиях авиационно-космической техники : сб. материалов II междунар. науч.-практ. конф. / Укр. НИИ технологий машиностроения. - Днепропетровск, 2007. - С. 107 - 122.

9. Оптимизация по массе головных обтекателей сотовых конструкций для ракет-носителей / В.Е Гайдачук, В.И. Сливинский, А.В. Кондратьев, В.В. Кириченко // AIMS for Future of Engineering Science. AFES 2007 : materials the eighth international scientific forum, July 3-10 2007, Winnipeg, Canada / Canada-Korea. - 2007. - P. 126 -134.

10. Кондратьев А.В. Концепция оптимизации многослойных систем типа головных обтекателей ракет-носителей из композиционных материалов с сотовым заполнителем / А.В. Кондратьев // Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ 2005 : міжнар. наук.-техн. конф. : тези доп. -Х., 2005. - C. 77.

11. Кондратьев А.В. Методика оптимизации по массе основных конструктивных элементов головного обтекателя ракеты-носителя из композиционных материалов / А.В. Кондратьев, В.Е. Гайдачук // VIII Междунар. молодежная науч.-практ. конф. «Человек и Космос» : тез. докл. - Днепропетровск, 2006. - С. 186.

12. Кондратьев А.В. Оптимальное проектирование локальных зон с использованием пакета МКЭ / А.В. Кондратьев // IX Междунар. молодежная науч.-практ. конф. «Человек и Космос» : тез. докл. - Днепропетровск, 2007. - С. 409.

13. Кондратьев А.В. Учет начального технологического несовершенства фольги СЗ при оптимизации по массе многоотсековых сотовых конструкций / А.В. Кондратьев // X Междунар. молодежная науч.-практ. конф. «Человек и Космос» : тез. докл. - Днепропетровск, 2008. - C. 461.

АНОТАЦІЇ

Кондратьєв А.В. Оптимальне проектування композитних корпусів літальних апаратів зі стільниковим заповнювачем на основі синтезу методу скінченних елементів і аналітичних моделей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.02 - проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», Харків, 2009.

Дисертація присвячена проблемі зниження маси корпусів літальних апаратів шляхом оптимізації їх параметрів на основі синтезу методу скінченних елементів та нових моделей стільникового заповнювача. Містить теоретичні та практичні результати, що включають розроблену та реалізовану на прикладі реального виробу - головного обтічника ракети-носія «Циклон-4» концепцію мінімізації маси багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ в рамках синтезу МСЕ і аналітичних моделей з багатоетапним алгоритмом реалізації.

Розроблені математичні моделі СЗ та методи їх реалізації для уточнення його ФМХ з урахуванням технології виготовлення при різних висотах стільника.

Для запропонованого в роботі класифікатора масиву нерегулярних зон тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ в рамках запропонованого синтезу аналітичних моделей СЗ та стандартного комплексу МСЕ розроблений підхід до оптимізації за масою відповідних параметрів підсилення.

Розроблені алгоритми та інші результати дисертації використовуються в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», а також прийняті до використовування у вигляді рекомендацій та методик при створенні багатовідсікових тришарових оболонок із ПКМ зі СЗ при проектуванні конструкцій авіаційної та ракетно-космічної техніки на ДП «КБ «Південне» та ВАТ» «УкрНДІТМ».

Ключові слова: мінімізація маси, композит, стільниковий заповнювач, синтез, комплекс МСЕ, технологічний погин.

Кондратьев А.В. Оптимальное проектирование композитных корпусов летательных аппаратов с сотовым заполнителем на основе синтеза метода конечных элементов и аналитических моделей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 - проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2009.

Диссертация посвящена проблеме снижение массы корпусов летательных аппаратов путем оптимизации их параметров на основе синтеза метода конечных элементов и новых моделей сотового заполнителя. Содержит теоретические и практические результаты, включающие в себя разработанную и реализованную на примере реального изделия - головного обтекателя ракеты-носителя «Циклон - 4» концепцию минимизации массы многоотсековых трехслойных оболочек из ПКМ с СЗ в рамках синтеза МКЭ и аналитических моделей с многоэтапным алгоритмом реализации, который позволяет проводить глубокий уровень одновременной оптимизации в пределах каждого отсека схемы укладки НС, геометрических параметров СЗ и шпангоутов с учетом ухудшений их ФМХ, вызванных наличием неизбежных технологических отклонений в пределах регламентированных допусков и теплового воздействия на конструкцию, при приложении к ней практически всего спектра внешних воздействий.

Проведен предварительный анализ эффективности схем армирования НС, позволяющий существенно упростить выбор ее оптимальных параметров.

Предложен и реализован подход к определению допускаемых напряжений для СЗ при оптимизации, учитывающий их изменение в процессе варьирования геометрическими параметрами ячейки. Разработаны математические модели сотов и реализующие их методы уточнения ФМХ СЗ при поперечном сжатии и сдвиге с учетом поэтапного нагружения конструкции и технологии его изготовления. Осуществлено уточнение существующих аналитических зависимостей ФМХ СЗ от геометрических параметров его ячейки, позволившее учесть наблюдаемые в экспериментах отклонения значений ФМХ СЗ при его различных высотах.

Осуществлен синтез новых моделей СЗ в стандартный комплекс МКЭ. Даны рекомендации к использованию ФМХ СЗ в предложенном многоэтапном алгоритме минимизации массы многоотсековых оболочек из ПКМ с СЗ, позволяющие найти в процессе оптимизации рациональную высоту СЗ с учетом изменения его ФМХ, а также синтезировать модуль поверочного блока, в котором дается заключение о несущей способности оптимального по массе варианта рассматриваемой конструкции с СЗ с учетом наличия в его гранях начальной технологической погиби в пределах регламентированного допуска.

Предложен классификатор нерегулярных зон трехслойных оболочек из ПКМ с СЗ, включающий в себя существенно усовершенствованные составляющие фрагментов известных классификаций, а также новые фрагменты, ранее не учитываемые, который позволяет по характеру силового воздействия на рассматриваемую зону выбрать наиболее эффективное КТР для ее местного усиления.

Предложен и реализован подход к минимизации массы нерегулярных зон многоотсековых трехслойных оболочек из ПКМ с СЗ в рамках синтеза МКЭ и аналитических моделей.

Реализация предложенной концепции при оптимизации конструктивных параметров в регулярной зоне ГО РН «Циклон - 4» выявила ее эффективность, выразившуюся в снижении массы оптимального изделия на 15% по сравнению с исходным его вариантом, разработанным в ГП «КБ «Южное» им. М.К. Янгеля»

Разработанные алгоритмы и другие результаты диссертации используются в учебном процессе Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», а также приняты к использованию в виде рекомендаций и методик при создании многоотсековых трехслойных оболочек из ПКМ с СЗ при проектировании конструкций авиационной и ракетно-космической техники в ГП «КБ «Южное»» и ОАО «УкрНИИТМ».

Ключевые слова: минимизация массы, композит, сотовый заполнитель, синтез, комплекс МКЭ, технологическая погибь.

Kondratiev A.V. Optimum designing of composite airframes with honeycomb filler on a basis of finite-element method and analytic models synthesis. - The manuscript.

Thesis presents for the application of scientific degree of candidate of technical sciences by spaciality 05.07.02 - Designing, manufacturing and testing of aircrafts. National Aerospace University named after N. Ye. Zhukovsky «KhAI», Kharkov, 2009.

Thesis is concerned with a problem of airframes mass decrease by their parameters optimization on a basis of synthesis of finite-element method and new honeycomb filler models. It includes theoretical and practical results like conception of mass minimization of multistage three-layered composite casings with honeycomb filler in bounds of finite-element method and analytic models synthesis, which is developed and realized on an example of real product - main fairing of “Cyclon-4” carrier rocket. Mass minimization is accomplished with multi-step algorithm.

Cell mathematical models and honeycomb filler mechanical characteristics amendment methods taking into account its manufacturing for different heights are developed.

Classifier of irregular zones of three-layered fairings of polymer composite materials with honeycomb filler is suggested. Approach to mass minimization of irregular zones of multistage three-layered fairings of polymer composite materials with honeycomb filler in limits of finite-element method and analytic models synthesis is suggested and realized.

Developed algorithms and other thesis results are used in National Aerospace University named after N. Ye. Zhukovsky “Kharkiv Aviation Insitute”. They are also introduced as recommendations and techniques at manufacturing multistage three-layered fairings of polymer composite materials with honeycomb filler at designing of aerospace machinery in State Enterprise “Design Bureau “Yuzhnoye” and “UkrNIITM” ltd.

Keywords: mass minimization, composite material, honeycomb filler, synthesis, complex of FEM, manufacturing roundup.

Размещено на Allbest.ru

...