Введение к работе
Стержневые ферменные конструкции, выполненные 113 композитных
материалов, с близкими к нулю коэффициентами, линейного расширения и
большой продольной жесткостью, находят в настоящее время широкое
применение в авиационной и космической технике. Это обусловлено тем, что
композитные фермы' обладают высокой степенью весового совершенства и
свойствами размерной стабильности в широком диапазоне изменения
температур. Необходимость расчета таких конструкций в целом и соединений,
применяемых в них, в частности, поддерживает интерес к теоретическим и
экспериментальным исследованиям напряженно-деформированного
состояния размеростабильных ферм. Возрастающая сложность решаемых
задач заставляет использовать для этих целей уточненные модели механики
КМ, учитывающие особенности этих материалов. Большой вклад в развитие
уточненных теорий композитных стержней, пластин и оболочек внесли С. А.
Амбарцумян, В. В. Болотин, В. В. Васильев, А. Т. Василенко, В. И. Воровпч,
Э. И. Григолюк, Я. М. Григоренко, А. Н. Гузь, О. Н. Иванов, В. И. Королев,
С. Г. Лехницкнй, 10. М. Новичков, И. Ф. Образцов, Б. Л. Пелех, В. Г.
Пискунов, А. О. Рассказов, Р. Б. Рикардс, С. Н. Сухинин, В. П. Тамуж, Ю. М.
Тарнопольский, Г. А. Тетере, В. Т. Томашевскип, П. П. Чулков, Bert С,
Reissiier Е., Tetlow R. и др.
Разработке, расчету и испытаниям узлов соединений как наиболее
ответственному элементу конструкций из композитов посвящены работы В. В.
Воробья, В. И. Гришина, Г. П. Зайцева, В. О. Кутьинова, В. П. Николаева, Л.
В. Розе, М. И. Семина, О. С. Сироткпна, Г. И. Страхова, 10. С. Уржумцева,
і В. В. Хитрова.
* Актуальность темы. Комплексные исследования земли, о/солоіемного
, пространства и планет солнечной системы, усложнение решаемых при это*
'задач привели к созданию размеростабильных ферменных конструкций из
композитов. Примерами таких исследований являются программы "Вега" и
"Фобос", эксперимент "Эра" на орбитальной станции "Мир", предстоящие
*
запуски лаборатории "Астрон" и серии негерметичны$ спутников связи и технологических платформ.
Однако эффективность работы таких конструкций на ррбнте напрямую связана с точностью оценки напряженно-деформированного состояния фермы, т. к. снижение деформаций в стержнях и узлах соединений снижает в свою очередь вес юстировочных устройств. При этом известно, что на один килограмм полезной нагрузки приходится до пяти килограммов котировочных устройств.
Максимальный вклад в общую деформативность фермы приходится на узлы соединений, которые представляют собой сочетание существенно разнородных материалов и имеют сложную геометрию. Поэтому при расчетах напряженно-деформированного состояния требуется применение уточненных моделей, которые учитывают слоистость структуры и се неоднородность по толщине, анизотропию механических свойств, низкую жесткость по отношению к. трансверсальиым касательным и нормальным напряжением. Кроме этого, на участке соединения имеется переменная вдоль образующей толщина и механические свойства, зависящие от траектории армирования и порядка чередования слоев, существенным является изменение метрики по толщине.
Учитывал эти обстоятельства и перспектиш использования ферменных конструкций из КМ, обладающих высокой степенью весового совершенства и размерной стабильностью, развитие, исследований в области построения уточненных моделей для расчета таких конструкций с учетом податливости умов соединений, можно считать актуальной и важной в теоретическом и прикладном отношении задачей.
Целью работы является экспериментальное и теоретическое изучение напряженно-деформированного состояния узлов соединений в композитных фермах, позволяющее снизить общую деформативность и обеспечить размерную стабильность всей крупногабаритной конструкции. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
построение модели узла соединения и стержня на основе уточненной теории композитных толстостенных цилиндрических оболочек, учитывающей переменные пдоль образующей толщину и упругие постоянные, изменение метрики по толщине, а также характерные для композитов деформации поперечного сдвига и обжатия, поперечные коэффициенты Пуассона, слоистость структуры и ортотропшо слоев;
построение общих алгоритмов расчета стрежня с соединениями и фермы в целом,' как составной конструкции, образованной элементами, имеющими разные порядки разрешающих систем уравнений;
- приложение полученных теоретических результатов к расчету
композитных размеростабильных ферм и к оценке точности моделей,
основанных на гипотезах Кнрхгоффа-Лява и типа Тимошенко;
- изучение на основе численного анализа возможностей управления
размерной стабильностью как . стержней, так и крупногабаритных
конструкций, а также оценка возможностей создания составных стержней из
предварительно формованных элементов (ПФЭ);
проведение' комплекса экспериментальных исследований особенностей деформирования составных стержней с соединениями;
разработка методик и комплекса приспособлений для экспериментальной оценки деформатнвных свойств композитных стержней с соединениями.
Научная новизна диссертации определяется теоретическими результатами в области расчета составного стержня с соединениями и фермы в целом, включающими построение и анализ уравнений уточненной теории ортотропных толстых цилиндрических оболочек с переменными вдоль образующей толщиной и упругими свойствами, разработку универсальн'ых алгоритмов численного расчета составных конструкций с использованием прогонки по методу Абрамова.
j На основе полученных соотношений разработан комплекс программ и получены конкретные результаты, определяющие влияние на напряженно-
деформированное состояние стержней с соединениями анизотропии материала, переменности упругих характеристик и толщины, учета деформации поперечного сдвига и обжатия, поперечны); коэффициентов Пуассона, наличия зон стыковки композитного стержня й металлической законцовки.
Проведены сравнительные экспериментальные исследования сплошных и составных ПФЭ композитных стержней с соединениями.
Практическая ценность, Полученные результаты, предложенные методики и программы применены при проектировании натурных размеростабильных ферм совместно с ЦНИИСМ г. Хотьково, а также на этапе поверочных расчетов на прочность.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на XVII Гагаринских чтениях, ' Московский авиационный, .технологический институт им. К. Э. Циолковского, Москва, 1991 г.; на XVIII. Гагаринских чтениях, Московский авиационный технологический институт им. К. .Э. Циолковского, Москва, 1992 г.; Начно-технической конференции, МГАТУ им. К. Э. Циолоковского, 1996 г., 1997 г.
Структура и объем диссертации. Работа состоит нз введения, четырех
v глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 152 страницы
машинописного текста, 30 иллюстраций, 6 таблиц. , Библиографический
список включает 148 наименований. \ \ v .',
