Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие таких отраслей техники, как машиностроение, промышленное и гражданское строительство, транспорт, атомная энергеиюа, авиастроение, ракетная и космическая техника, химическая промышленность, приборостроение и т.д., невозможно Сез высокоэффективных средств математического моделирования, которые позволяют не только ускорить процесс перехода от новых технических идей к конкретным конструктивным решениям, но я значительно сократить цикл проверки качества полученных разработок.
Отправной точкой при разработке образцов новей техники является концептуальная модель, в которой совокупность абстрактных требований к проектируемому изделии согласуется с реальными возможностями, обусловленными уровнем развития науки и техники.
Первым этапом разработки новой конструкции является формирование конкретного тохшїчєского решения, воплощащого концептуальную модель п "метчлло". На зтом этапа с привлечекиеми периферийных средств вычислительной техники решается проблема построения базовой геометрической модели конструкции, которая включает в себя описание размеров изделия, его координатной привязки и механических характеристик конструкционных материалов. Затем формируется модель взаимодействия разрабатываемой конструкции с внешней средой, для чего строятся модели функционирования на всех этапах жизненного цикла изделия, отражающие реальные физические процессы и трансформации объекта проектирования в период эксплуатации.
Одной из основных задач, возникающих при проектировании изделий, является априорная оценка их прочностной надежности. С этой целью формируется модель изделия в терминах механики деформируемого твердого тела. Этот процесс связан с выбором известных процедур расчета напряженно-деформированного состояния, критических нагрузок и динамических характеристик, либо с созданием новых процедур расчета. При разработке этой модели приходится идти на компромисс между достаточно полным и адекватным описанием формы, условий работы и нагруженил объекта и сложностью модели. Здесь особенно важна гибкость модели в отношении конструктивных особенностей проектируемого изделия, многообразия материалов и виечтит »'оздс-Я.сгз".'Я-
Результатом выполнения данной проектной операции является численная модель отклика конструкции на фиксированное внешнее воздействие, либо совокупность таких моделей, отражающих развитие процесса, например, во времени.
На этом этапа разработки целесообразно привлечь мат-оды оптимизации для определения наилучшего конструктивного решения. Однако для сложных конструкция практически осуществимой и технически целесообразной является не глобальная оптимизация разрабатываемых изделий, а быстрая многовариантная отработка их на ' основе анализа моделей функционирования для получения рациональных, надежных и всесторонне обоснованных конструкторсгаа реиений.
Одновременно с выполнением каждой из стадия разработки вайю формировать визувльшэ модели изделия, внэшнэй среди, поведения изделия при эксплуатации в наиболее информативном для разработчик:; гаде.
Одним из важнейших классов конструкций, обеспечивающих функционирование перечисленных выие отраслей техники, являются конструкции вращения. Поэтому разработка системы автоматизации конструирования и прочностных расчетов на базо ЛИ серии IBM, обеспечивающей реализацию перечисленных этапов проектирования а отработки прочности конструкций вращения является актуальной научно-технической проблемой, имеющей большое народнохозяйственное значение.
Цель и задачи работы. Основными целями и задачами настоя-стоящей работы являются:
разработка на базе отечественных и зарубежных исследований математических моделей, корректно omjcuBBavx процессы статического и динамического деформирования осесишетричных многослойных оболочечных конструкций;
обоснование достоверности разработанных математических моделей и разработка рекомендаций по использованию этих моделей при теоретической отработке прочности проектируемых изделий;
создание программных средств, ,реализующих на IBM-совместимых персональных компьютерах разработанные математические модели статического и динамического деформирования осесимметричных многослойных оболочечных конструкций;
реализация программых средств в виде системы автоматизации конструирования и прочностных расчетов многослойных оболочечных конструкций с развитым интерфейсом.
Научная повинна.
В теории оболочек традиционно первичным объектом исслодоза-иия является континуальная модель, описываемая системой диффере-ициалышх уравнений в частных ггрокззодных с соответствующими краевыми условиями. Для численного моделирования процесса де'ї>ор-мировашя оболочечных систем при построении вычислительных схем, как правило, используются дискретные методы, аппроксимирующие исходную континуальну» модель вторичной дискретной моделью. Для осесимметричных оболочечных систем предпочтительно иметь дело именно с первичной континуальной системой.
В диссертации построены континуальные модели линейного и нелинейного, статического и динамического деформирования осесимметричных многослойных оболочечных систем при различных кинематических гипотезах. При построении этих моделей учитываются следующие механические факторы: поперечные сдвиги в сечениях, нормальных к координатной поверхности; изменение метрики оболочки но толщине; учет инерции вращения в задачах динамики.
Разработан эффективный математический аппарат, позволяющий создать компьютерные модели деформирования осесимметричных многослойных оболочечных конструкций и разработать рекомендации по использованию этих моделей в практических расчетах при теоретической отработке прочности проектируемых изделий. Высокая точность этих моделей позволяет использовать их в качестве "эталона" при тестировании различных конечно-элементных программ (типа COSKOS/M и др.).
Разработаны и реализованы на IBM-совместимых персональных компьютерах принципа построения интегрированной системы автоматизации конструирования и прочностных расчетов многослойных осэ-сямметричннх оболочечных конструкций.
Достоверность результатов. Достоверность научных положений,
выводов и рекомендацій работе обеспечивается строгим использова
нием классических концепций и адекватного математического аппа
рата; проверкой разработанных алгоритмов и программ расчета на
большом числе модельных и тестовых задач; обширным численным эк
спериментом по обоснованию сходимости и устойчивости численных
процессов, используемых з разработанных алгоритмах;' положитель
ным опытом внедрения программного обеспечения в различных отрас
лях промышленности. "
Практическая ценность работы заключается в программкой реализации разработанных методов и алгоритмов решения задач статики
и динамики конструкций вращения в виде автоматизированной системи конструирования и прочностных расчетов на базе IBM-совместимых персональных компьютеров. Эта система является весьма эффективным средством при теоретической отработке прочности для широкого класса машин, аппаратов и сооружений, таких как: несущиа конструкции ракет и космических аппаратов; корпуса ракет и ракетных двигателей, топливных баков; сильфош, трубопроводы; несущие конструкции атомных реакторов; дометте печи, воздухонагреватели, пылеуловители, аппараты газоочистки, компенсаторы; не-- фте- и бензохранилища, цистерны, газгольдеры; сосуды высокогс давления, центрифуги; химические аппараты, теплообменники; различные строительные сооружения, купола и т.д.
Система внедрена в ряде конструкторских организаций, такиз как НПО "Энергомаш"; ГП "Красная звезда"; КБ "Салют"; КБ машиностроения (Коломна); НПО "Гидропресс"; НПО машиностроения (Реутов); Свердловский НИИХИШШ и др.
Апробация работы. Основные полохения диссертационной работа доложены на семинаре по механике деформируемого твердого телі под руководством чл.-корр. Э.И.Григолюка (1980); на Y1 Всесоюз школе "Теор. основы и конструирование численных алгоритмов реше ния задач математической физики" (Горький, 1986); на 2-й Всес конф. "Численная реализация физико-механических задач прочности (Горький, 1937); на Ш Всесоюзном семинаре молодых ученых "Актуа льные проблемы механики оболочек" (Казань, 1988) (два доклада) на Всесоюзном семинаре "Численные метода в ЩГГТ и их применена к расчету конструкций" (Львов, 1989); на международной научно технической конференции "Надежность машин и технологическог оборудования" (Ростов-на Дону, 1994); на XXXI научной конферен цим Российского университета дружбы народов (Москва, 1995); н коллоквиуме IASS "Трубы и резервуары" (Саратов, 1995); на конфе ренции "Персональные компьютеры в проектировании и исследовала механизмов и агрегатов" (С.Петербург, 1995); не меадународне симпозиуме liSS "Spatial Structures; Heritage, Present and Juti re" (Милан, 1995).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы о: ражены в 31 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из цредисж вия, четырнадцати глав, объединенных е две части, заключения списка литературы из 213 найменованій. Общий объем работы Зі страниц, включая 73 рисунка и 4? таблиц. і