Розробка ефективної методики обчислювального експерименту оцінки несучої здатності на етапі відпрацювання вагової досконалості елементів конструкцій великогабаритних ракетних двигунів на твердому паливі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний аерокосмічний університет імені М.Є. Жуковського

"Харківський авіаційний інститут"

Спеціальність: 05.07. 03 - Міцність літальних апаратів

УДК 678.027: 679.76: 629.7.03

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка ефективної методики обчислювального експерименту оцінки несучої здатності на етапі відпрацювання вагової досконалості елементів конструкцій великогабаритних РДТП

Лозовицький Ігор Броніславович

Харків 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Державному аерокосмічному університеті імені М.Є. Жуковського.

"Харківський авіаційний інститут", Міносвіти України, та Павлоградський коледж економіки та управління, Міносвіти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук Цопа Віталій Андрійович, Павлоградський коледж економіки та управління, в. о. професора.

Офіційні опоненти:

Заслужений діяч науки та техніки, доктор технічних наук, професор РАЧ Валентин Анатолійович, Східно-український державний університет, завідуючий кафедри;

кандидат технічних наук Льняний Віталій Миколайович, Павлоградський механічний завод, ВО "Південний машинобудівний завод", провідний фахівець.

Провідна установа: Дніпропетровський державний університет, Міносвіти України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "22" жовтня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.03 у Державному аерокосмічному університеті імені М.Є. Жуковського "ХАІ" за адресою: 310070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного аерокосмічного університету імені М.Є. Жуковського "ХАІ".

Автореферат розісланий "20" вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, професор Г.Л. Корнілов

ракетний двигун експеримент моделювання

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми

Необхідність всебічної інтенсифікації економіки нерозривно пов'язана з прискоренням науково-технічного прогресу, найважливішими напрямками якого є створення та засвоєння принципово нової техніки та технології, автоматизація та механізація виробництва.

Широке впровадження нових композиційних матеріалів у різноманітні галузі промисловості, та у першу чергу в аерокосмічну техніку, поставило до процесу проектування несучих конструкцій ракетних двигунів різноманітний діапазон вимог по енерговагомій досконалості, що безупинно поширюється та ускладнюється. Поряд з цим, розвиток засобів математичного моделювання станів та оптимізації конструкцій і процесів дозволяє істотно підвищити рівень інформаційної насиченості про об'єкти розробки та, завдяки цьому, забезпечити появу перспективних технічних рішень.

Однак, відсутність відпрацьованих практичних методик проведення математичного моделювання та оптимізації ставлять конструктора у ситуацію, коли він з одного боку, стає неспроможний традиційними засобами розробляти конструкції з врахуванням останніх досягнень технічного прогресу, а з іншого боку, не може широко застосувати існуючий у нинішній час інструментарій математичного моделювання, що, у кінцевому підсумку, призводить до невідповідності проектних рішень, що вживаються ним, рівню найкращих світових зразків. Ці суперечливі фактори змушують шукати та застосовувати нові заходи та засоби праці конструктора, що дозволять підвищити не тільки продуктивність праці розробника, але й якість проектних рішень ,що приймаються.

Найбільш перспективним виходом з даної ситуації стає широке застосування обчислювального експерименту, як нової технології й методології наукових та прикладних досліджень на всіх стадіях розробки перспективних виробів.

В нинішній час відомий ряд праць авторів таких як Гузь А.Н., Макаренков А.Г., Чернишов І.С., Моссаковський В.І., Нікітін П.І. та інших у галузі математичного моделювання силової конструкції ракетних двигунів на твердому паливі (РДТП) (див. мал. 1).

Але вони, як правило, засновані на застосуванні аналітичного апарату технічного аналізу. Звернення до сучасного потужного апарату технічного аналізу на основі чисельних методів носить лише епізодичний характер та знаходить обмежене застосування у спеціалізованих розрахункових підрозділах конструкторських бюро.

Розв'язання поставлених завдань здійснюється шляхом розробки математичних моделей та методів проведення обчислювального експерименту, що реалізує сучасні методи та програмне забезпечення технічного аналізу.

У дисертації узагальнений чотирнадцятирічний досвід роботи автора у галузі математичного моделювання та оптимізації станів несучих конструкцій РДТП.

Мал. 1 Великогабаритний ракетний двигун на твердому паливі, 1 - арматура переднього люку, 2 - арматура соплового люку, 3 - силова оболонка корпусу, 4-заряд

Мета роботи

Розробка ефективної методики проведення обчислювальних експериментів як нової науково-обгрунтованої методології підвищення енерговагової досконалості елементів силової конструкції РДТП на етапі їхнього відпрацювання.

У роботі сформульовані та вирішені наступні основні задачі:

проведені чисельні дослідження, на підставі яких розроблена технологія проведення обчислювального експерименту з математичного моделювання стану силової конструкції композиційного корпусу з урахуванням великих переміщень та деформацій елементів конструкції, нелінійних властивостей матеріалів та контактної взаємодії деталей і вузлів конструкції;

розроблено алгоритм та, на його базі, реалізовано обчислювальну програму оптимізації конструкцій арматур люків композиційних корпусів РДТП за умовами окремих деталей та забезпечення рівномірності епюр їх контактної взаємодії;

проведені чисельні дослідження залежності умов контактної взаємодії метало-композитних структур, анізотропії якостей композита від величини коефіцієнту тертя та наявності гумового прошарку між взаємодіючими деталями;

визначені базові розрахунково-конструктивні схеми арматур люків композиційних корпусів;

розроблені математичні моделі силової конструкції корпусу РДТП;

проведено чисельний аналіз напружено-деформованого стану (НДС) та умов контактної взаємодії елементів арматури переднього люку корпусу РДТП різноманітних конструктивних схем;

проведені чисельні дослідження НДС та оптимізації конструкцій арматури соплового люку корпусу РДТП.

Методи дослідження

Виконані дослідження базуються на основних рівняннях механіки суцільного середовища, енергетичних принципах деформування та нелінійної поведінки суцільного середовища і проводяться методами математичного моделювання станів та оптимізації конструкцій. Основний метод моделювання - метод кінцевих елементів, що реалізувався у вигляді розрахункових програм і програмних комплексів. Вірогідність отриманих результатів визначена у праці шляхом зіставлення із відомими аналітичними рішеннями задач і результатами натурних експериментів.

Наукова новизна

1. Вперше отримані результати чисельного дослідження аналізу чутливості напружено-деформованого стану (НДС) та умов контактної взаємодії основних силових деталей арматур люків композиційного корпусу до зміни параметрів конструкції.

2. Розроблені і експериментально обґрунтовані математичні моделі конструкцій арматур люків днищ композиційних корпусів, які відрізняються від відомих тим, що врахована нелінійна поведінка конструкції під робочим навантаженням.

3. Встановлені нові залежності значень максимального рівня й характеру епюр контактних тисків у метало-композитних з'єднаннях від величини коефіцієнту тертя, анізотропії пружних властивостей матеріалів контактуючих тіл та наявності гумових прошарків у з'єднаннях конструкцій РДТП.

4. Отримані уточнені результати чисельного аналізу НДС силової конструкції композиційного корпусу за рахунок врахування геометричної, фізичної і конструктивної нелінійностей.

5. Запропоновано новий алгоритм реалізації обчислювальних експериментів по аналізу міцності силових конструкцій композиційних корпусів РДТП, який відрізняється від відомих тим, що враховано комплекс нелінійних факторів характерних для конструкції, що досліджується.

6. Запропоновані нові розрахунково-конструктивні схеми арматур люків композиційних корпусів, які відрізняються від відомих тим, що всі елементи конструкції об'єднані під навантаженням, забезпечена можливість регулювання характеру прилеглості основних силових деталей та досягнуте значне підвищення вагової досконалості виробів, що розробляються.

Практична цінність та вагомість праці

Практичну цінність являє:

розроблена обчислювальна програма аналізу НДС і умов контактної взаємодії метало-композиційних з'єднань;

розроблені конструкції арматури люків днищ композиційного корпусу, що забезпечують підвищення рівня несучої спроможності корпусу у два рази при зниженні вагових параметрів арматур люків на 30-50%.

Реалізація результатів праці у промисловості

Основні результати дисертаційної праці запроваджені у Державному конструкторському бюро "Південне" у відповідності з комплексною програмою підприємства по автоматизованому проектуванню та відпрацюванню конструкцій виробів ракетно-космічної техніки.

Економічний ефект від використання розробленої технології та розрахункових програм склав 204 тис. крб. у цінах 1991 р.

На захист виносяться:

результати розрахункових досліджень по аналізу чутливості НДС та умов контактної взаємодії деталей арматури соплового люку днища композиційного корпусу до зміни параметрів конструкції;

результати чисельного аналізу залежності рівня й характеру контактної взаємодії метало-композитних з'єднань від величини коефіцієнту тертя, анізотропії пружних властивостей матеріалів контактуючих тіл та наявності гумових прошарків;

розроблені математичні моделі конструкцій арматур люків днищ композиційних корпусів, що враховують нелінійну поведінку конструкції під робочим навантаженням;

розроблені нові раціональні розрахунково-конструктивні схеми арматур люків композиційних корпусів;

результати чисельного аналізу НДС арматур люків днищ композиційного корпусу з урахуванням геометричної, фізичної та конструктивної нелінійностей;

запропонований автором новий алгоритм реалізації обчислювальних експериментів по нелінійному аналізу міцності силових конструкцій композиційних корпусів РДТП.

Апробація праці

Основні положення й результати праці були повідомлені й обговорювалися на XXIV Міжгалузевій науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців (м. Люберці, 1987 р.), на постійно діючій міжнародній школі-семінарі "Обчислювальні методи в механіці суцільного середовища" (м. Пущино-на-Оці, 1990 р., м. Владимир, 1991 р.), на декількох міжнародних виставках інформаційних технологій (м. Київ, 1995, 1996 рр.).

Публікації

Результати проведених автором робіт за темою дисертації відбиті у 32 працях, в тому числі у 21 науково-технічному звіті, 9 наукових статтях, 2 винаходах, підтверджених патентом та авторським свідоцтвом.

Структура та обсяг праці

Дисертація викладена на 156 сторінках, які включають 112 сторінок основного тексту, 77 малюнків, 3 таблиці. Список літератури містить 120 найменувань, в тому числі 20 іноземних. Дисертація містить 5 розділів, висновки, список літератури і додаток із актами впровадження результатів праць та актами випробувань конструкцій, що досліджувалися.

2. Зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, характеризується новизна результатів і визначається практична та наукова значимість праці.

У першому розділі проведений огляд за методами математичного моделювання та особливостями їхньої програмної реалізації стосовно технічного аналізу складних конструкцій. У працях деяких авторів відзначено введення поняття й визначення основ методології обчислювального експерименту, як нової технології наукових та прикладних досліджень і визначена необхідність більш глибокого опрацювання по відношенню до конкретних галузей техніки.

В огляді проведена класифікація розрахункових програмних комплексів (РПК) і визначені галузі їхнього застосування. Визначено, що ефективність застосування методів математичного моделювання та РПК пов'язана із необхідністю розробки математичних моделей технічних об'єктів і методик вирішення задач комплексного аналізу складних конструкцій. Проведено огляд найбільш поширених, у вирішенні задач технічного аналізу, розрахункових програмних комплексів (РПК). На підставі огляду та дослідної експлуатації перелічених РПК визначене лідируюче становище універсального РПК ANSYS для вирішення задач технічного аналізу складних конструкцій, що зазнали комплексного впливу різноманітних факторів.

Розглянуті особливості вирішення задач математичного моделювання станів і оптимізації конструкцій та процесів РДТП і визначено, що для їхнього адекватного опису необхідне залучення математичного апарату нелінійного структурного аналізу. Разом з тим відзначено, що врахування всіх особливостей аналізу НДС конструкцій РДТП значно ускладнює завдання математичного моделювання та призводить до високих вимог ресурсів обчислювальної техніки. У цій ситуації проведення розрахунків по оптимізації конструкцій, що досліджуються, за допомогою універсальних РПК, за умов обмеженості обчислювальних ресурсів, стає проблематичним й малоефективним.

Для забезпечення ефективності проведення розрахунків по оптимізації метало-композитних з'єднань у складі силової конструкції корпусу РДТП, визначена необхідність розробки проблемно-орієнтованого алгоритму та програми аналізу НДС, та умов контактної взаємодії з допомогою методу кінцевих елементів.

Проведено огляд відомих конструктивних схем силової конструкції композиційних корпусів та досвід їхнього відпрацювання. Проведена класифікація основних типів руйнування корпусів РДТП. Усунення руйнування шляхом пошуку нових конструктивних рішень, а не додаткового підсилення корпусу, є ключовою проблемою в задачі про підвищення енерговагової досконалості та надійності силової оболонки корпусів РДТП.

В закінченні першого розділу, на підставі проведеного аналізу, сформульована мета та задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі описана силова конструкція корпусу РДТП і виділені основні елементи арматур люків переднього і заднього днищ корпусу.

Особлива увага в розділі приділена засобам дослідження. Базовим методом математичного моделювання визначено метод кінцевих елементів. Проведено аналіз основних переваг і проблем реалізації математичного моделювання із застосуванням методу кінцевих елементів (МКЕ). В розділі наведена оцінка основних причин виникнення погрішності кінцево-елементних рішень.

Для проведення науково обґрунтованого вибору програмного забезпечення, для рішення поставлених задач, проведена класифікація критеріїв якості обчислювальних алгоритмів та програм і виділені специфічні вимоги, що подаються до розрахункових програмних комплексів.

Аналіз сучасних розрахункових комплексів, зроблений в першому розділі з урахуванням вимог, що подаються до РПК, дозволив, як базовий розрахунковий комплекс, вибрати універсальний РПК ANSYS.

Задачі математичного моделювання стану конструкцій і процесів сучасних РДТП відносяться до класу нелінійного аналізу міцності (High Nonlinearity Structural Analysis). При їхньому рішенні необхідно враховувати: геометричну нелінійність - більші переміщення та деформації, фізичну нелінійність - нелінійну поведінку матеріалу під навантаженням, конструктивну нелінійність - контактну взаємодію деталей з урахуванням тертя.

Третій розділ присвячений розробці нової, більш ефективної технології проведення обчислювального експерименту. В цій технології визначені такі основні етапи: геометричне, кінцево-елементне моделювання, реалізація обчислювальних експериментів, обробка та аналіз результатів розрахунків. Ці етапи подані у вигляді блок-схеми алгоритму, що показана на мал. 2.

В цьому розділі проведена розробка алгоритму та програми рішення контактних задач для комбінованих сполучень РДТП.

Алгоритм та програма були відпрацьовані і пройшли тестування на рішенні контактної задачі про вдавлювання штампу в пружне тіло. Результати тестування програми, що зображені на графіку мал. 3, показали, що результати розрахунків по програмам ANSYS () і КОНТАКТ (O) добре корелюють між собою та мають гарну збіжність з аналітичним рішенням ().

Проведені дослідження впливу величини коефіцієнту тертя, анізотропії властивостей композиційного матеріалу та гумових прошарків на епюру контактного тиску деталей метало-композитних з'єднань.

В четвертому розділі проведене відпрацювання методики обчислювального експерименту на базі чисельних досліджень НДС конструкції арматури переднього люку композиційного корпусу.

Автором проведений вибір базової розрахунково-конструктивної схеми (БРКС) арматури переднього люку корпусу РДТП з силовою оболонкою з композиційного матеріалу. Інженерний аналіз, проведений з урахуванням результатів гідравлічних іспитів міцності традиційної конструкції арматури переднього люку корпусу, дозволив сформулювати комплексну задачу розробки БРКС цього вузла:

компонування повинне забезпечити об'єднання під навантаженням всіх деталей арматури;

можливість регулювання характеру прилягання її деталей одна до одної для досягнення спільності їхніх деформацій;

кріпильні деталі повинні забезпечити максимальну рівномірність контактних зусиль сполучення кришки з закладним фланцем.

У конструкції арматури, відповідної базової розрахунково-конструктивної схеми, групове різьбове з'єднання замінене на шпоночне. Місце розміщення шпонок та їхня форма забезпечує шарнірне спирання кришки на закладний фланець. Усі деталі арматури під дією внутрішнього тиску газу входять у взаємодію. Епюра контактної взаємодії фланця та горловини корпусу має рівномірний вид. Розроблені кінцево-елементні моделі арматур люку переднього днища традиційної та базової розрахункових схем.

У розділі проведено порівняльний нелінійний аналіз міцності конструкцій арматури переднього люку різних конструктивних схем з урахуванням "великих" деформацій композитного корпусу та гумових прокладок, нелінійної поведінки гуми під навантаженням та умови контактної взаємодії деталей арматури.

У цьому розділі проведено аналіз напружено-деформованого стану арматури переднього люку традиційної схеми. Як видно на мал. 4, збільшення діаметру горловини корпусу призводить до оголення частини закладного фланця, зменшуючи цим площу його контакту з корпусом і збільшуючи момент, що перекидає фланець відносно борту горловини корпусу.

Кришка під дією робочого тиску зменшує діаметр периферійної частини і навантажує різьбове кріплення небезпечною для нього силою що перерізає та моментом згину.

Рівень та характер напруженого стану пера фланця у його кореневій частині має високий рівень напружень (від -6,5 до 7,0 МПА) та їхню локалізацію в цій зоні. Епюра контактного тиску, представлена на мал. 5, має піковий характер з локалізацією максимуму на краю горловини корпусу при повній відсутності контактної взаємодії на більш ніж третині контактної поверхні пера закладного фланця.

Аналіз напруженого стану деталей розглянутого вузла та особливості їхньої контактної взаємодії об'єктивно свідчать про непридатність такої конструктивної схеми для підвищення вагової досконалості силової конструкції корпусу РДТП.

У розділі проведені розрахунки міцності конструкції арматури переднього люку, які відповідають базовій розрахунково-конструктивній схемі.

Аналіз деформованого стану арматури показав, що закладний фланець відстежує розворот днища корпусу та забезпечує щільний контакт по всій поверхні закладного фланця.

Порівняльний аналіз епюр контактного тиску арматур люків традиційної (мал. 5) та базової (мал. 6) розрахункових схем показав, що хоч закладний фланець базової схеми має початкову поверхню контакту з днищем корпусу на 30% меншу, ніж у традиційній схемі, максимальна величина контактного тиску фланця базової розрахункової схеми менша на 12%, а епюра контактного тиску плавна та високонаповнена.

На підставі проведених досліджень розглянута конструкція рекомендована, як базова конструкція арматури люку посудин високого тиску з корпусом із композиційних матеріалів, для досягнення високої вагової досконалості. Проведений цикл експериментальних іспитів підтвердив високий рівень вагової досконалості базової арматури переднього люку композиційного корпусу. По відношенню до традиційної конструкції, розроблений вузол мав вдвічі меншу вагу і успішно витримував вдвічі більший тиск. Поряд з цим, результати іспиту показали хорошу збіжність результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними.

У п'ятому розділі автором проведений вибір раціональної розрахункової схеми арматури соплового люку корпусу РДТП. Вибір проведений на базі якісного аналізу схем поданих навантажень та зусиль, що виникають у конструкціях різноманітних розрахунково-конструктивних схем.

Базова розрахунково-конструктивна схема арматури соплового люку у складі фрагменту корпусу з силовою оболонкою з КМ подана на мал. 7. На зображенні стику деталей та елементів конструкції представлені основні параметри аналізу чутливості та оптимізації конструкції.

Закладний фланець має перетин, що забезпечує мінімальний момент обертання відносно краю горловини днища, та разом з тим, вільно відстежує обертання горловини, забезпечуючи рівномірну епюру контактного тиску з максимальним значенням в середній частині контактної поверхні закладного фланця та горловини. Опорна обичайка сопла і закладний фланець мають шарнірне обпирання через шпонку оригінальної форми. У опорній обичайці, під дією робочого навантаження, по нижній опорній поверхні формується сила розпирання, що відвертає перекидання закладного фланця. У цій зоні за рахунок самоущільнення контактуючих деталей формуються умови додаткової герметизації.

У розділі вперше проведений аналіз чутливості конструкції, що дозволив встановити взаємозв'язок між змінними проектування і змінними стану конструкції та провести цілеспрямований пошук оптимального варіанту конструкції, що розробляється.

Результати експериментальних іспитів підтвердили рівень вагової досконалості розробленої конструкції і свідчать про адекватність розробленої математичної моделі арматури соплового люку днища корпусу та хорошої збіжності результатів обчислювального та натурного експериментів.

Загальні висновки

1. Проведені чисельні дослідження задач нелінійного аналізу міцності комбінованих з'єднань силової конструкції композиційних корпусів РДТП, що відрізняються від відомих тим, що врахований комплекс факторів нелінійної поведінки об'єкту дослідження під навантаженням, який включає "більші" деформації силової оболонки композиційного корпусу і гумових компенсаторів, нелінійну поведінку матеріалів та умови контактної взаємодії деталей конструкції.

1.1. Розроблено новий алгоритм проведення обчислювальних експериментів по аналізу напружено-деформованого стану та оптимізації комбінованих сполучень РДТП, в якому вперше врахований комплекс нелінійних факторів поведінки елементів конструкції під навантаженням.

1.2. Розроблено алгоритм та, на його основі, реалізовано обчислювальну програму КОНТАКТ для аналізу НДС і контактної взаємодії метало-композитних з'єднань. Тестування програми показало, що збіжність результатів з аналітичними рішеннями відповідає 8-12%.

1.3. Проведено чисельне дослідження впливу ряду параметрів умов контактної взаємодії комбінованих сполучень на епюру контактного тиску, за результатами якого встановлено:

зміна значення коефіцієнту тертя в межах від 0.01 до 0.5 не виявляє істотного впливу на величину та характер розподілу контактного тиску (різниця значень контактних тисків складає не більше 2%);

для моделювання контактної взаємодії метало-композитних з'єднань із співвідношенням його модулів пружності в головних осях ортотропії Еу/Еx 0.3 необхідно враховувати ортотропні властивості матеріалів;

введення гумових прошарків виявляє суттєвий вплив на характер епюри контактного тиску деталей з'єднання, при цьому встановлено, що максимум епюри контактного тиску у метало-композитних з'єднаннях з гумовими прошарками зміщений по лінії контакту та має відносну координату x/a=0. 87, при цьому загальний рівень напружень у сполученні зменшується більше ніж в 2.5 рази.

1.4. Проведені експериментальні іспити конструкцій арматур, розроблених з застосуванням технології обчислювального експерименту, що підтвердили збіжність результатів обчислювального та натурного експериментів в межах 5-10%.

2. Проведені чисельні дослідження напружено-деформованого стану арматури люку переднього днища композиційного корпусу РДТП.

2.1. Визначені нові розрахунково-конструктивні схеми арматур люків днищ композиційного корпусу РДТП, які відрізняються від відомих об'єднанням під навантаженням всіх деталей арматури та можливістю регулювання характеру прилягання її деталей одна до одної, досягненням спільності деформацій фланця та горловини днища корпусу, максимальною рівномірністю контактних зусиль з'єднаних деталей арматури.

2.2. Проведено порівняльний чисельний аналіз НДС та умов контактної взаємодії арматури люків переднього днища композиційного корпусу різноманітних конструктивних схем, результати якого показали, що:

високий рівень градієнтів напружень від -6,50 до 7,00 МПа в окремих зонах деталей, локалізація епюри контактного тиску на краю горловини корпуса при повній відсутності контактної взаємодії на більше ніж 30% контактної поверхні пера закладного фланця у арматурі люка традиційної конструктивної схеми об'єктивно свідчить про непридатність конструкції для досягнення високої вагової досконалості;

закладний фланець запропонованої розрахункової схеми відстежує розворот днища корпусу і забезпечує плавну та високо наповнену епюру контактного тиску по всій поверхні закладного фланця з рівнем максимального контактного тиску на 12% менше, ніж в традиційній схемі.

3. Проведено чисельний аналіз напружено-деформованого стану та оптимізації арматури соплового люку днища композиційного корпусу РДТП.

3.1. Вперше проведено аналіз чутливості стану конструкції арматури люку до величини різноманітних конструктивних параметрів, на підставі якого встановлено, що:

зміна товщини горловини на 15-20% знижує рівень напруженого стану в деталях арматури на 30-50% та рівень їх контактного тиску на 20-30%;

зміна товщини та виліт ніжки лямбда-фланця в межах 50% призводить до зростання контактного тиску на 150-200% та зміщенню максимуму епюри контактного тиску на край горловини;

зміна величини розмаху пера фланця на 20-25% призводить до виникнення пікового характеру епюри контактного тиску зі збільшенням контактного тиску на 60-70% в зоні закінчення пера фланця;

зміна кута конусності фланця ф задає профіль контактної поверхні закладного фланця з горловиною днища та дозволяє в широкому діапазоні управляти формою та величиною епюри контактного тиску цих елементів;

значення кута конусності фланця ф= -9° є оптимальним для забезпечення рівномірності епюри контактного тиску закладного елементу на горловину днища у діапазоні зміни робочого тиску від 1,50 до 9,00 МПа;

кут підходу опорної обичайці сопла к = 38° до опорної поверхні "ніжки" фланця є оптимальним для забезпечення контактної взаємодії деталей арматури соплового люку у діапазоні зміни робочого тиску від 1,50 до 2,50 МПа.

4. Розроблена нова методика обчислювальних експериментів для відпрацювання силових конструкцій РДТП, що відрізняється науково-технічною новизною та забезпечує високу дієздатність і вагову досконалість виробів ракетно-космічної техніки.

4.1. За результатами проведених досліджень запропоновані базові конструкції арматур люків днищ композиційних корпусів, основні технічні рішення яких захищені винаходами та, на відміну від традиційних конструкцій, мають вагу на 30-50% меншу і успішно витримують на 30% більший тиск.

4.2. Проведені експериментальні іспити розроблених конструкцій арматур люків композиційного корпусу, що підтвердили високий рівень їх вагової досконалості.

4.3. Результати роботи впроваджені в державному конструкторському бюро "Південне" з економічним ефектом 204 тис. карбованців (в цінах 1991 р.).

4.4. Розроблена технологія обчислювальних експериментів використана в повній мірі для розробки конструкцій РДТП та інших виробів ракетно-космічної техніки і успішно використовується для різноманітних галузей промисловості.

В додатку подаються документи, які свідчать про промислове засвоєння розробленої методики та її економічної ефективності, результати експериментальних іспитів арматур люків композиційних корпусів, розроблених із застосуванням пропонованої методики.

Основні результати дисертації Відбиті в публікаціях

Арсеньев С.Л., Лозовицкий И.Б. Структура и эффективность систем разработки конструкций. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сборник науч. трудов ХАИ - 1995. - Харьков: - с. 98-106

Арсеньев С.Л., Лозовицкий И.Б. Разработка рациональной конструкции арматуры люков корпуса РДТТ // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сборник науч. трудов ХАИ - 1995. - Харьков: - с. 107-114

Лозовицкий И.Б. Разработка эффективной методики вычислительного эксперимента на этапе отработки знерго-весового совершенства элементов конструкции РДТТ // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сборник науч. трудов ХАИ. Вып.10, - 1998. - Харьков: с. 75-83

Лозовицкий И.Б. Особенности выбора методов математического моделирования для решения задач проектирования конструкций РДТТ // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сборник науч. трудов ХАИ - 1995. - Харьков: - с. 115-125

Лозовицкий И.Б. Разработка вычислительной программы решение задачи контактного взаимодействия комбинированных соединений// Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сборник науч. трудов ХАИ. Вып.10 - 1998. - Харьков:- с. 94-99

Лозовицкий И.Б. Исследование напряженно- деформированного состояния различных конструкций арматуры переднего люка днища корпуса РДТТ// Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сборник науч. трудов ХАИ. Вып.10 - 1998. - Харьков: - с. 84-93

Лозовицкий И.Б. Исследование чувствительности параметров состояния конструкции арматуры соплового люка корпуса РДТТ// Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сборник науч. трудов ХАИ Вып. 11 - 1998. - Харьков: - с.59-69

Лозовицкий И.Б., Пастухов А.Г., Бараников Я.Н. Анализ напряженно-деформированного состояния тройника c усиливающими накладками // Вопросы проектирование и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сборник науч. трудов ХАИ. Вып.11 - 1998. - Харьков: - с. 37-44

Лозовицкий И.Б., Пастухов А.Г., Бараников Я.Н. Анализ жесткостных характеристик несущей конструкции силовой платформы ветроагрегата// Вопросы проектирование и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сборник науч. трудов ХАИ. Вып.11 - 1998. - Харьков: - с. 45-54

Лозовицкий И.Б., Лисниченко И.В., Лысенко Н.Т. Арматура переднего люка сосуда из композиционных материалов// XXIV Межотраслевая научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов - НПО "Союз", Люберцы: - 1986

Метод сборки резьбового соединения и устройство для ее реализации / Арсеньев С.Л., Лозовицкий И.Б. и др.// Авторское свидетельство СССР SU №1629166 - 1989г.

Сосуд высокого давления для текучих сред / Арсеньев С.Л., Лозовицкий И.Б., Шакин П.И.// патент РСФСР RU №2057271 - 1994 г.

Анотація

Лозовицький І.Б. Розробка ефективної методики обчислювального експерименту аналізу несучої здатності на етапі відпрацювання вагової досконалості елементів конструкцій крупногабаритних РДТП. Дисертація є рукописом, представленим на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07. 03 -міцність літальних апаратів. Державний аерокосмічний університет імені М.Є. Жуковського "ХАІ", Харків, 1999 р.

Дисертація містить теоретичні та практичні результати досліджень по розробці алгоритмів та методики обчислювального експерименту нелінійного аналізу міцності елементів силової конструкції композиційного корпусу, вибору раціональних конструктивних схем, аналізу чутливості та оптимізації конструкцій арматур люків днищ композиційних корпусів РДТП. Методика та алгоритми, наведені в роботі, впроваджені у Державному конструкторському бюро "Південне" та використовуються на інших підприємствах і в організаціях.

Ключові слова

Обчислювальний експеримент, нелінійний аналіз міцності, арматура люків днищ, композиційний корпус, аналіз чутливості конструкції, оптимізація, напружено-деформований стан.

Аннотация

Лозовицкий И.Б. Разработка эффективной методики вычислительного эксперимента оценки несущей способности на этапе отработки весового совершенства элементов конструкции крупногабаритных РДТТ. Диссертация является рукописью, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.03 - прочность летательных аппаратов. Государственный аэрокосмический университет имени Н.Е. Жуковского "ХАИ". Харьков, 1999 г.

Диссертация содержит теоретические и практические результаты исследований по разработке алгоритмов и методики вычислительного эксперимента нелинейного прочностного анализа элементов силовой конструкции композиционного корпуса, выбора рациональных конструктивных схем, анализа чувствительности и оптимизации конструкции арматур люков днищ композиционных корпусов РДТТ. Методика и алгоритмы, представленные в работе , внедрены в Государственном конструкторском бюро "Южное" и используются на других предприятиях и организациях.

Ключевые слова

Вычислительный эксперимент, нелинейный прочностной анализ, арматура люков днищ, композиционный корпус, анализ чувствительности конструкций, оптимизация, напряженно-деформированное состояние.

Annotation

Lozovitski I.B. The development of effective technology of computing experiment of bearing strength analysis of design elements of large-sized Solid Propellant Rocket Engine (SPRE) for increase of their weight perfection. The thesis is the manuscript for an academic degree of a candidate of engineering science on a speciality 05.07.03 - Strength of Aircraft, Zhukovski State Aerospace University "Kharkov Aviation Institute", Kharkov, 1999.

The thesis contains theoretical and practical results of investigation by development of algorithms and technology of computing experiment of nonlinear structural analysis of the composite body design elements, choice of the rational constructive circuits of the bottoms hatches reinforcement, analysis of sensitivity and optimization of designs of the bottoms hatches reinforcement of SPRE composite body. Technology and the algorithms which produced in the work have been inculcated on State Design Office "Yuzshnoe" and on the other enterprises and organizations.

The results of theoretical investigation of the sensitivity analysis of stressed & strained state and requirements of contact interaction of the basic force details of manhole armatures of a composite case to change of design parameters are presented in dissertation.

The offered rated - design concept of manhole armatures of composite cases differ from known subjects that all configuration items are united under load and the capability of regulation of joining properties of the basic force details is ensured.

Developed designs of manhole armatures of the bottoms of a composite case have supplied a heightening in twice of level of case bearing strength at lowering on 30-50% of weight parameters of manhole armatures.

The results of experimental trials have confirmed a level of weight perfection of developed designs and testify to adequacy to developed mathematical model of manhole armature of the case bottoms and good convergence of results of computational and natural experiments

The following basic problems are formulated and are resolved in work:

The theoretical investigations are conducted and technique of computational experiment realization is designed on their foundation for simulation of state of composite case primary structure in view of large displacement and strains of configuration items, non-linear properties of materials both contact interaction of details and structural assemblies;

The algorithm is designed also computational program is realized on its base for optimization of constructions of armatures of manholes of composite cases of SPRE on requirements of a strength balance of separate details and security of uniformity of diagrams of their contact interaction;

The analytical investigations are conducted for definition of relation of requirements of contact interaction of metal-composite patterns, anisotropy of properties of an aggregate from magnitude of a friction coefficient and presence of a rubber interlayer between interacting details;

The base rated - design concept of armatures of manholes of composite bodies are defined;

The mathematical models of SPRE case primary structure are designed;

The idealized analysis of stressed & strained state and requirements of contact interaction of members of an armature of forward manhole of SPRE case of the different design concepts is conducted;

The theoretical investigations of stressed & strained state and optimization of designs of nozzle manhole armature of SPRE case are conducted.

The carried out researches are founded on the basic equations of continuum mechanics, energy principles of deformation and non-linear behavior of continuum and are carried out by methods of simulation of condition and optimization of designs. The basic method of simulation is finite element method realized as the computing programs. The veracity of obtained results is defined in operation by confrontation to known analytical problem solving and results of natural experiments.

Key words

Computing experiment, nonlinear structural analysis, bottoms hatches reinforcement, composite body, analysis of design sensitivity, optimization, stressed and strained state

Размещено на Allbest.ru

...