Введение к работе
Технический прогресс порождает непрерывное расширение класса конструкционных материалов и совершенствование их свойств. Появление новых материалов обусловлено естественным стремлением повысить эффективность разрабатываемых конструкций. Одно из наиболее ярких проявлений прогресса в развитии материалов, конструкций и технологии связано с разработкой и применением армированных композитных материалов. Композиты обладают рядом очевидных преимуществ перед другими материалами, в частности перед металлами. Такими преимуществами являются высокая удельная прочность и жесткость, высокая коррозионная стойкость, хорошая способность выдерживать знакопеременные нагрузки и другие. Cледует отметить еще одну, возможно, самую главную особенность композитов – это способность к направленному изменению свойств материала в соответствии с назначением конструкции и характером ее нагружения. Направленный характер свойств композитов, естественно, предполагает, что наряду с высокими механическими характеристиками в одних направлениях они обладают низкими в других. Поэтому эффективная реализация достоинств этих материалов в конструкциях требует решения комплекса задач, связанных с определением рациональной структуры материала, соответствующей полю внешних нагрузок и других воздействий, с учетом его особенностей и технологических ограничений. Правильный учет особенностей композитов и рациональное использование их преимуществ позволяют получать конструкции, обладающие высокой степенью весового совершенства и уровнем свойств, недостижимым при использовании традиционных материалов. Таким образом, проектирование композитных конструкций, кроме традиционного определения ее геометрических параметров, предусматривает определение рациональной структуры материала, т.е. числа и порядка чередования слоев, углов ориентации и вида армирующих элементов. Это усложняет как формулировку, так и решение задач оптимального проектирования. Следует отметить, что если оптимальность конструкции из традиционных материалов является желательным условием, то применительно к композитам выполнение условий оптимальности структуры может являться необходимым условием существования конструкции. Еще одна особенность, возникающая при проектировании композитных конструкций, связана с тем, что широкий спектр свойств материала, зависящий от многочисленных сочетаний структурных параметров, иногда приводит к неочевидным и неоднозначным решениям задачи проектирования. Перечисленные особенности определяют важность полноты и корректности формулировки задачи оптимального проектирования композитов.
Большой практический интерес представляет проектирование элементов конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния. К таким элементам относятся обшивки несущих конструкций самолетов и ракет, панели конструкций различного назначения, баллоны давления и др. Основной целью оптимального проектирования композитных конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния, является обеспечение сочетания минимальной массы и способности сопротивляться действующим нагрузкам в необходимых направлениях. Достижение этой цели осуществляется выбором оптимальной структуры материала, т.е. количества слоев композита, углов армирования и толщин этих слоев. Особенностью проектирования композитных конструкций, находящихся в плоском напряженном состоянии, является существование бесчисленного множества эквивалентных оптимальных структур, поиск которых традиционными численными методами оптимизации весьма затруднителен, а зачастую вообще невозможен. Таким образом, наряду с формулированием корректной и полной постановки задачи оптимального проектирования композитных конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния, возникает проблема разработки метода оптимизации, позволяющего осуществлять поиск всей совокупности оптимальных структур.
Актуальность работы.
Актуальность рассматриваемой задачи определяется широким применением композитов в современной технике. Конструкции, изготавливаемые в настоящее время из композитов, являются, как правило, тонкостенными и состоят из системы различным образом ориентированных элементарных слоев композита. Определение оптимальных структур материала, обеспечивающих минимальную массу таких конструкций при выполнении ограничений, обеспечивающих ее работоспособность, предоставляется актуальной и важной в прикладном отношении задачей.
Цель работы.
Целью работы является построение и реализация метода оптимального проектирования слоистых композитов, находящихся в условиях плоского напряженного состояния.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Сформулировать задачу оптимального проектирования композитных элементов конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния, при ограничениях по прочности, жесткости и устойчивости.
-
Разработать метод оптимального проектирования композитных элементов конструкций, позволяющий находить в отличие от существующих методов всю совокупность оптимальных структур.
-
Определить оптимальные структурные параметры слоистых композитов по условиям прочности, жесткости и устойчивости при одном и нескольких случаях нагружения.
-
Решить задачи оптимального проектирования слоистых панелей, баллонов давления и тонкостенных стержней.
Научная новизна.
Научная новизна работы определяется
-
Предложенной математической постановкой задачи оптимального проектирования ортотропных слоистых композитов, находящихся в условиях одного или нескольких случаев нагружения, предусматривающей определение углов армирования, толщин и количества слоев, обеспечивающих минимум массы при ограничениях по прочности, жесткости и устойчивости. Задача сводится к задаче безусловной минимизации суммарной толщины композита в минимаксной постановке.
-
Методом решения задачи оптимального проектирования слоистых ортотропных композитных панелей, находящихся в плоском напряженном состоянии, обеспечивающим минимальную толщину панели при ограничениях по прочности слоев. Поиск оптимальных структур основан на методе направленного перебора с уточняющим поиском методом сопряженных направлений и позволяет найти набор эквивалентных оптимальных структур при заданном числе слоев композита.
-
Обобщением предложенного метода на задачи, в которых наряду с ограничениями по прочности слоев заданы ограничения по жесткости и устойчивости композитной панели.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов определяется сопоставлением с известными аналитическими и численными решениями частных задач.
Практическая значимость.
Практическая значимость работы определяется полученными рекомендациями по оптимальной структуре композитных панелей, при воздействии нагрузок, действующих в плоскости панели. Результаты работы могут быть использованы при проектировании несущих оболочек отсеков ракет, обшивки крыла, оперения и фюзеляжа самолета, баллонов давления и других композитных конструкций.
Предложенный подход к оптимальному проектированию элементов слоистых композитных конструкций может представлять интерес для разработчиков численных и аналитических методов решения задач оптимального проектирования.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на:
-
Международной молодежной научной конференции «XXXIII Гагаринские чтения», Москва 3-7 апреля 2007, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского;
-
Международной молодежной научной конференции «XXXIV Гагаринские чтения», Москва 1-5 апреля 2008, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского;
-
Международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские чтения», Москва 7-11 апреля 2009, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского;
Основные положения диссертации опубликованы в работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Работа содержит 143 страницы машинописного текста, 64 рисунка. Список литературы включает 219 наименований.
