Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие авиационной и космической у техники идет по пути возрастающего применения композитных материалов на основе высокопрочных волокон и полимерных матриц. Обладая высокими удельными прочностными и жесткостными характеристиками, такие материалы позволяют повысить весовую эффективность создаваемых конструкций по сравнению с конструкциями из традиционных материалов. При этом важной задачей является создание методов расчета, учитывающих особенности работы этих материалов. В настоящее время созданы достаточно эффективные методы расчета композитных конструкций при действии статических нагрузок. Однако сравнимых по эффективности методов расчета при действии ударных нагрузок не существует, хотя и наблюдается повышенный интерес к данной области. Ударные нагрузки и, в частности, локальные нагрузки с характерной скоростью до 300 м/с, действующие на элементы летательных аппаратов, возникают при их эксплуатации довольно часто. Они имеют место, например, при воздействии камней на элементы планера самолета при взлете и посадке на грунтовых аэродромах, при отрыве и ударе оторвавшейся лопатки компрессора по корпусу двигателя, при столкновении летательного аппарата с птицами во время полета и т.п. Соответствующие методы расчета должны дать картину поведения конструкции при ударе, определить возможные повреждения - пробой, вмятины, разрушения и т.д., что является важным как для проектирования, так и для оценки эксплуатационной живучести летательных аппаратов. Необходимость решения подобных задач возникает и при создании защитных устройств с использованием экранов, кожухов, щитков. Опыт их применения показывает, что для рассматриваемых скоростей эффективно работают тонкостенные конструкции. С помощью моделирования нормального удара пластин мож-
но предсказать пробивание указанных элементов без проведения натурных испытаний.
Поэтому разработка методики расчета тонких композитных пластин при ударе и пробивании представляется актуальной как в теоретическом, так и в прикладном отношении.
Целью работы является построение метода численного моделирования локального нормального удара и пробивания тонких композитных пластин, позволяющего оценивать работоспособность авиационных конструкций и эффективность защитных экранов.
Достоверность результатов исследования подтверждена сравнением численного и аналитического решений с оценкой сходимости и устойчивости разработанного алгоритма, решением тестовой задачи, сравнением расчетных и экспериментальных результатов.
Научная новизна:
-
получена геометрически нелинейная система уравнений движения тонких ортотропных пластин с выделением в явном виде сдвигового краевого эффекта;
-
предложен способ численного формирования матрицы коэффициентов разрешающей конечно-разностной системы уравнений с использованием аналитической записи исходных форм дифференциальных уравнений, граничных условий и разностных аппроксимаций производных;
-
разработана феноменологическая модель пробивания металличе-ских и композишых-пластин;
-
получены решения задач динамики пластин при локальном ударном нагружении. _____— ~~
~ Практическая ценность. Предложенные методики могут найти применение на стадии проектирования тонких металлических и композитных конструкций и защитных экранов для численного моделирования их
поведения, защитной способности при нормальном ударе и пробивании, а также для определения баллистического предела.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на: Молодежной научной конференции "ХХШ Гагаринские чтения", Москва, МАТИ им. К.Э. Циолковского, 1997 г.; Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", Направление: "Интенсивные технологии в производстве летательных аппаратов", Москва, МАТИ-РГТУ, 1997 г.; Всероссийской молодежной научной конференции "XXIV Гагаринские чтения", Москва, МАТИ-РГТУ, 1998 г.; Международной молодежной научной конференции "XXV Гагаринские чтения", Москва, МАТИ-РГТУ, 1999 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в тезисах перечисленных докладов и двух статьях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 131 страницу текста, 57 страниц иллюстраций, пять таблиц. Библиографический список включает 109 наименований.
