Введение к работе
Актуальность темы.
Космические летательные аппараты (КЛЛ) предназначены для эксплуатации в таких сложных условиях околоземного пространства, как вакуум, значительные перепады температуры, различные излучения и т.д. Корпусные элементы современных КЛА выполняются в виде тонкостенных конструкций из алюминиевых и титановых сплавов. Как показывает опыт, при современном уровне развития технологий нельзя избежать появления в них различных дефектов, которые в ходе эксплуатации изделия являются причиной возникновения трещин.
Наличие трещины в элементе конструкции значительно снижает уровень его надежности. В этом случае время безотказной работы определяется в основном способностью материала сопротивляться разрушению. Изучение характера отказов элементов различных конструкций позволяет заключить, что на протяжении заданного времени службы возможны как постепенные, так и внезапные отказы.
Вероятность наступления таких отказов связана с влиянием конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов на характеристики прочности и сопротивления разрушению элементов конструкций КЛА.
Цель работы. Разработать научно-обоснованную методику, позволяющую на этапе проектирования КЛА заложить заданный уровень надёжности элементов конструкции, допускающих повреждения, в течение всего срока эксплуатации.
Разработать вероятностные методы оценки надёжности применительно к различным типам конструкций КЛА при недостатке вероятностных характеристик условий его эксплуатации.
Установить закономерности влияния размера повреждения, технологических и эксплуатационных факторов на уровень надёжности и срок безопасной эксплуатации проектируемого элемента конструкции при прогнозируемых внезапных отказах, наступающих в результате мгновенной потери прочности и скачкообразного роста трещины.
Поставленные задачи нужно решать с учётом влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов - с одной стороны, а также с учётом стохастического характера эксплуатационных нагрузок и характеристик прочности и трещиностойкости элементов конструкций - с другой стороны.
На защиту выносятся:
методика обеспечения надёжности элементов конструкций КЛА для различных условий эксплуатации на этапе проектирования;
методы и результаты исследований эффектов влияния условий эксплуатации и технологических факторов на прочностные свойства конструкционных материалов;
решение задачи статистической динамики методом интерполяционных полиномов при недостатке информации о вероятностном поведении эле-
4 ментов конструкций КЛА с повреждениями при стохастическом внешнем воздействии;
- метод определения уровня надёжности, допустимого размера повреждения и времени безотказной работы негерметичных отсеков КЛА до наступления внезапного отказа.
Научная новизна:
-
Создана и апробирована научно-обоснованная методика оценки принимаемых конструктивно-технологических решении по критериям безотказной работы и долговечности с учётом воздействия эксплуатационных факторов.
-
Предложен способ оценки вероятностных характеристик внутренних силовых факторов элементов конструкций КЛА с трещинами различной длины при недостатке информации о характеристиках случайного внешнего воздействия.
-
Установлена зависимость трещиностойкости элементов конструкции КЛА, изготовленных из алюминиевого сплава Д16АТ, от некоторых эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов.
-
Предложен метод расчёта уровня надёжности элементов конструкции КЛА, допускающих повреждения, для случая, когда неизвестны закономерности развития трещины и не удаётся установить зависимость параметров трещиностойкости от времени наработки
-
Предложен метод оценки надёжности изделия по критерию долговечности, основанный на определении вероятности выбросов параметра случайного процесса изменения трещиностойкости конструкционных материалов за определённый стохастический уровень, характеризуемый её критітческими значениями.
-
Методика апробирована расчётом надёжности и времени безотказной работы моделей тонкостенных отсеков орбитальных КЛА "Ника - Т" и "Космос" с трещинами.
Практическая значимость:
Предлагаемую методику можно применять в инженерной практике при обеспечении надёжности элементов конструкции КЛА, а также для определения сроков их эксплуатации и допустимых размеров повреждений на стадии проектирования.
В работе предложен способ оценки изменения трещиностойкости алюминиевого сплава ДІ6АТ под воздействием окружающей среды. Этот способ может быть использован для исследований свойств практически любых конструкционных материалов.
Предлагаемый для решения задач статистической динамики метод интерполяционных полиномов можно использовать для оценки вероятностных характеристик различных внутренних силовых факторов элементов конструкций КЛА при случайном внешнем воздействии.
5 Разработанная методика может быть использована при оценке эффективности различных конструкторско-технологических решений. Согласно ей предпочтение отдаётся тем вариантам решений, которые соответствуют наиболее высоким уровням надёжности.
Во время разработки тема была поддержана грантом Президента России. Большинство расчётов было произведено в Институте статики и динамики летательных аппаратов университета г. Штутгарта (Германия) в рамках программы фундаментальных исследований в области авиации и космонавтики.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 123 наименований. Работа содержит 164 страницы основного текста. На 31 странице выполнены рисунки.
Апробация работы
Результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах. Основные результаты и научные достижения автора докладывались на Всероссийских межвузовских конференциях, конференциях "Гагаринские чтения" и "Королёвские чтения", на Международном симпозиуме молодых учёных YSTM' 96 в Москве и на Международном форуме "Интеллектуальный потенциал России - в XXI век" (22-24.11.95 С.-Петербург). Статья по теме работы награждена грамотой головного вуза симпозиума "Науки в области техносферы", проводимого в рамках форума, при Санкт-Петербургской академии аэрокосмического приборостроения. Текст доклада отмечен дипломом "За третье место па форуме" в 1995 году.
Результаты исследований обсуждались на симпозиуме "Statik-und Dynamik dcr Luft-und Raumfahrtkonstruktionen" в университете г. Штутгарта в 1997 год}'. По теме исследований автор выступал с докладом в университете г. Йена (Германия) на факультете математики в 1997 году.