Введение к работе
Актуальность темы: Широкое использование деталей машин из отливок [ конструкций из алюминиевых сплавов для ответственных элементов кидкостных ракетных двигателей и турбонасосньгх агрегатов является одним о направлений, где достигнуты высокие технологии производства в литье, ермообработке, механообработке и испытаниях.
Из алюминиевых сплавов изготавливают сложные и ответственные
(етали, узлы и агрегаты летательных аппаратов и их двигательных установок,
;ак в авиации, так и в ракетостроении. Материалы на основе алюминиевых
плавов имеют высокие удельные прочностные и жёсткостные характеристики,
ібладают высокой усталостной выносливостью и значительным
опротивлением росту трещин. Реализация наиболее привлекательных свойств іатериалов на основе алюминиевых сплавов практически позволяет создавать инструкции корпусных деталей турбонасосных агрегатов с широким спектром функциональных возможностей.
Повышенная надёжность и долговечность элементов конструкций из дюминиевых сплавов обеспечивается за счет улучшения микроструктуры и ювышения характеристик сплава, а именно:
модифицирования сплава титаном к бериллием;
проведения газостатической обработки литых деталей;
использования электрокорунда в шихте, достижения дополнительного и равномерного охлаждения отливки;
увеличения числа и объёма литников для формирования более равномерной структуры сплава при охлаждении.
Разнообразие способов взаимного расположения большого числа гомпонентов неоднородной микроструктуры материала обеспечивает, для шределенного диапазона значений, управление свойствами алюминиевого плава АК-9ч и повышение его физико-механических характеристик. Большая шощадь внутренних поверхностей раздела между структурными гомпоиентами приводит к множественному внутреннему отражению и іассеиваншо волн, ветвлению трещин, дисперсному накоплению повреждений, (то повышает сопротивление материала росту дефектов в препятствует рупкому разрушению элементов конструкций из алюминиевого сплава АК-9ч.
Проектирование элементов конструкций из алюминиевых сплавов и іатериалов, работающих в условиях больших вибрационных нагрузок, ритических давлений, представляет комплексную научно-техническую [роблему. Основой проектирования является исследование процессов сформирования и определетгае предела несущей способности конструкций при аданном комплексе внешних нагрузок. Особенность расчёта конструкций из люминиевых сплавов заключается в необходимости совместного іассмстрения процессов деформирования и разрушения, как на уровне труктуры материала, так и для консфукции в целом.
При этом наличие разупорядоченности и дефектности структуры, ущественный разброс механических свойств алюминиевых сплавов >буславливают статистический характер процесса разрушения, случайные
внешние нагрузки требуют рассмотрения проблемы работоспособности и надёжности конструкций в статистическом смысле. Для сложных конструкций литейных форм приемлемо точный расчёт возможен лишь при развитии методов, учитывающих случайные факторы, проявляющиеся как на уровне конструкции, так и на уровне структуры неоднородного материала. Развитие статистических моделей деформирования и разрушения, разработка на их основе методов расчёта и оптимизации высоконадёжных элементов конструкций корпусных элементов ТНА. ЖРД является актуальной задачей механики алюминиевых сплавов типа АК-9ч.
Цель работы: Создание методов расчета высоконагруженных элементов конструкций корпусных деталей из алюминиевых сплавов, подверженных действию случайных нестационарных нагрузок, с учетом статистического разброса прочностных свойств элементов, построение структурно-статистических моделей и методов решения краевых задач механики микронеодаородных сред, экспериментальная проверка результатов.
Основные задачи исследований:
-
Разработать структурно-статистическую модель оценки работоспособности материала типа АК-9ч, на основе алюминиевого сплава
-
Обосновать теоретические основы расчета и прогнозирования несущей способности и живучести высоконагруженных элементов корпусных деталей турбонасосного агрегата ЖРД с микро и макродефектами, базирующиеся на решениях краевой задачи о напряжённо деформируемом состоянии в окрестности вершины трещины.
-
Разработать методы моделирования усталостного и статистически утхруго-хрупкого разрушения материалов и конструкций.
-
Разработать геометрическую и сеточную модель пространственной детали ТНА ЖРД с различной плотностью дискретизации и аппроксишфующих функций.
-
Провести экспериментальную оценку малоцикловой усталостной прочности корпуса насоса ЖРД.
-
Исследовать статистическую трещиностойкость изделия - корпусов насоса корпусной отливки, насосов горючего и окислителя.
-
Оценить усталостную выносливость и ресурс отливок корпусов насосов горючего и окислителя в условиях циклических нагружений.
Методы исследований:
Используются методы математического анализа, линейной алгебры, методы прикладной математики; теории матриц, статистического моделирования. Механические модели базируются на теории упругости. Численная реализация краевых задач проводится с использованием методов вычислительной механики, метода конечных элементов, а также математического и физического моделирования процессов разрушения.
Механические испытания материалоа проведены с использованием ггандартного и специального оборудования для статических и циклических їсішташш образцов.
Научная новизна:
-
Впервые разработан и реализован новый многоуровневый подход к процессам деформирования и разрушения алюминиевых сплавов на основе :плава АК-9ч в литейных заготовках корпусных деталей ЖРД, на основе решения краевых задач механики микронеоднородных сред.
-
Методами статистического моделирования исследованы механизмы исчерпания работоспособности элементов конструкций, подверженных действию нестационарных динамических нагрузок.
-
На основе энергетического подхода предложена численная методика исследования динамического поведения конструкций.
-
Исследована статическая трепцшостойкость корпусов насосов ТНА в зонах фланца, улитки, перепускного канала.
-
Описаны основные этапы реализации метода конечных элементов и проведено численное моделирование деформирования объёмного элемента конструкций.
-
Проведено экспериментальное исследование усталостной прочности и долговечности алюминиевого сплава типа АК-9ч.
Достоверность результатов:
Основывается на использовании апробированных методов механики деформированного твёрдого тела, механики алюминиевых сплавов и моделей статистической теории эксперимента и результатами испытаний, полученными автором и другими исследователями.
Практическое значение:
Разработанные методы и алгоритмы расчета работоспособности высоконагруженных элементов корпусов насосов горючего и окислителя, изготовленных из алюминиевых сплавов АК-9% учитывающие случайный характер нестационарных внешних нагрузок и статистический разброс прочностных свойств сплава и структуры микрооднородного материала, используются в расчётной практике предприятий ракетно-космического комплекса ОАО «Протон-ПМ», ОАО «НПО Энергомапг», ОАО «Самара-Металлист» при проектировании и изготовлении деталей и узлов насосов ЖРД. В программах повышения надёжности элементов корпусных деталей литейных заготовок из алюминиевого сплава типа АК-9ч при изготовлении турбонасосного агрегата двигательной установки 1 ступени ракеты-носителя «Протон» за счёт усиления конструкции стенок и рйбер жесткости отливки, изменения химсостава сплава, улучшения скорости кристаллизации сплава при охлаждении, уменьшения газонасыщенности улучшены технические характеристики сплава в целом и в зонах, особенно подверженных усталостным разрушениям. В результате проведёшшх технических мероприятий брак снгоился на - 20%. Учитывая партионность изготовления корпусов и «защиту»
каждой партии партионными испытаниями (гидроиспытания, пневмоиспытания, контрольно-выборочные испытания отливок), экономия составила ~ 750000 руб.
Реализация исследований:
Работа выполнена в соответствии с программами ОАО «Протон -Пермские моторы» и ОАО «НПО Энергомаш» по повышению надёжности корпусов литейных заготовок из алюминиевого сплава типа АК-9ч при изготовлении турбонасосного агрегата двигательной установки 1 ступени ракеты-носителя «Протон», научно-технической программой Минобразования РФ «Надёжность констхлтщий» 1998-2000 г.г. по проекту Российского фонда фундаментальных исследований № 99-01-00910, а также по планам кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского государственного технического университета 1998-2000 г.г.
Апробация результатов:
Материалы диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры ПГТУ, на Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2000г. и 2001г.), на научно-техпических советах ОАО «Протон - Пермские моторы» и Камского филиала ОАО «НПО Энергомаш» пм. академика ВЛ.Глушко.
Публикации:
Автором по специальности выполнены 9 научных публикаций и
получены 2 патента.
' Структура и объём работы:
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, списка литературы, приложений в виде таблиц, актов испытаний образцов, акта экономической эффективности, рисунков. Объём машинописного текста составляет //5~ страниц и включает ^г^г рисунков, /О таблиц и библиографический список из У^ наименований.
