Введение к работе
Актуальность проблемы. Неотъемлемой частью конструкций летательных аппаратов (ЛА) являются трубопроводы. Эксплуатацию трубопроводов ЛА отличает высокий уровень вибронапряжё'нности. Одновременно к ним предъявляются повышенные требования по надёжности и ресурсу, жёсткие ограничения по массе и габаритам. Этим противоречивым требованиям в наибольшей степени отвечают многослойные тонкостенные композитные конструкции.
Одна из главных причин отказов трубопроводов - разгерметизация соединений и разрывы труб, вызванные упругими вибрациями. Одним из источников вибраций является нестационарный внутренний поток. Вибрации сопровождаются образованием осесимметричных и неосесимметричных обо-лочечных волн. Криволинейные участки в этом случае являются своеобразными преобразователями энергии пульсаций потока в энергию упругих вибраций. Локальные колебания стенки трубы способствуют возбуждению вибраций всего трубопровода.
В отличие от традиционных материалов трубы из современных волокнистых композитов (ВКМ) более деформативны. Они обладают широким спектром физико-механических свойств и ярко выраженной анизотропией. Им органично присущи разнотолщинность и разнородность структуры на криволинейных участках. Начальные технологические неправильности и сравнительно низкая жёсткость стенки делают процесс взаимодействия тонкостенной трубы с нестационарным внутренним потоком более «сильным».
При разработке композитных конструкций предметом проектирования становится сам материал, точнее его структура. Однако методики расчёта тонкостенных труб с учётом слоисто-волокнистой структуры и анизотропии материала практически отсутствуют. Надежность трубопроводов обеспечивается на стадиях испытаний и доводки, путём отстройки готового изделия от опасных режимов возбуждения. Такой подход в принципе не позволяет представить и реализовать потенциальные возможности композита, найти пути и резервы совершенствования конструкции.
Таким образом, задача создания методики для расчёта и проектирования многослойных композитных труб и трубопроводов, с целью улучшения их динамических свойств и увеличения надёжности, разработки принципиально новых конструкций на базе современных материалов, является актуальной.
Цель работы - разработка методики расчёта и проектирования тонкостенных многослойных композитных труб и трубопроводов ЛА. Для этого в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработана методика расчёта статических и динамических характеристик многослойных композитных труб на основе приближённого энергетического метода с применением полубезмоментной теории оболочек и уравнений Лагранжа второго рода.
-
Предложенная методика реализована в виде прикладной программы для ЭВМ. Достоверность результатов подтверждена в процессе тестирования и сопоставления с данными, полученными методом конечных элементов (МКЭ) при помощи программного комплекса «ANSYS», известных решений и экспериментов.
-
Выполнено численное исследование параметров деформирования, напряжённого состояния, собственных форм и частот композитных труб в зависимости от начальных технологических неправильностей, граничных условий, геометрических и структурных факторов. Дан расчёт и анализ устойчивости вынужденных колебаний тонкостенных композитных труб под действием пульсирующего давления.
Методы исследования. Для решения задачи динамики привлекаются методы теории многослойных оболочек из ВКМ, теории колебаний, вычислительной математики и механики. Задача на собственные значения решается методом вращений Якоби. Критические частоты, определяющие границы областей динамической устойчивости, находятся методом малого параметра.
Научная новизна. На защиту выносятся следующие положения диссертации, содержащие элементы научной новизны:
Методика расчёта статических и динамических характеристик многослойных тонкостенных труб из ВКМ с учётом структуры материала и начальных технологических неправильностей, приобретаемых в процессе непрерывной силовой намотки.
Новые результаты: зависимости параметров деформирования, собственных форм и частот многослойных композитных труб от граничных условий, конструктивных, технологических, структурных факторов и внутреннего давления, а также напряжённого состояния от начальных технологических неправильностей поперечного сечения.
Закономерности, определяющие влияние геометрических, структур
ных факторов и демпфирования на устойчивость вынужденных колебаний
многослойных композитных труб под действием пульсирующего давления.
Достоверность полученных результатов и обоснованность научных положений подтверждаются применением строгих математических моделей и методов классической механики и вычислительной математики, проверкой разработанных методик на ряде тестовых задач, согласованностью результатов решений с данными расчётов МКЭ, с известными решениями и экспериментами.
Практическая ценность работы состоит в разработке методики и программы расчета статических и динамических характеристик многослойных труб из ВКМ. Программа и результаты расчёта внедрены на ВЭМЗ (г.Волжск, концерн ПВО «Алмаз-Антей»), а также в учебном процессе МарГТУ; использованы при анализе устойчивости вынужденных колебаний крупногабаритного трубопровода подачи жидкого кислорода ракеты-носителя (РН) «Ангара».
Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертации отражено в. 15 научных работах. Работа докладывалась и обсуждалась на:
IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006).
Международной молодёжной научной конференции «XV Туполев-ские чтения» (Казань, 2007).
V Республиканской научной конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы математики и вычислительной техники» (Брест, 2007).
XXVIII Российской школе по проблемам науки и технологий (Ми-асс, 2008).
Международном научном семинаре «Актуальные проблемы нелинейной механики оболочек» (Казань, 2008).
Международных научных студенческих конференциях по естественным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, 2008 и 2009).
IV Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, 2009).
Всероссийской научно-практической конференции «Механика: современное состояние, проблемы, перспективы» (Чебоксары, 2009).
II Международной конференции «Проблемы нелинейной механики деформируемого твердого тела» (Казань, 2009).
По теме диссертации опубликовано 5 статей, в том числе в журналах из перечня ВАК-5.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 222 наименований (в том числе - 40 на иностранных языках) и двух приложений. Работа изложена на 160 страницах, включает 41 рисунок и 29 таблиц.
