Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие различных отраслей техники, и вособенности авиакосмической, улучшение технических характеристик конструкций, снижение их массы и повышение прочности, надежности, экономичности связано с применением новых конструктивных решений, современных технологий и новых конструкционных" материалов.
Внедрение в авиации и космонавтике, а также в других областях техники слоистых композиционных пластин и оболочек, в особенности, неканонических очертаний, рост уровня динамических нагрузок в широком диапазоне частот и возникающие при эксплуатации усталостные разрушения поставили в ряд наиболее важных и актуальных проблему обеспечения вибропрочности и, в частности, прблему исследования свободных колебаний таких элементов конструкций.
Свойства спектра свободных колебаний, включающего спектры собственных частот и форм, важно знать на всех -этапах динамического расчета, при создании конструкций от проектирования до изготовления, а также эксплуатации и предэксплуатационном диагностировании.
При проектировании элементов необходимо знать распределение напряжений и деформаций при колебаниях конструкции, обеспечить заданный уровень жесткостных и вибрационных свойств, знать порядок следования форм в спектре колебаний и даже закономерности их ' перехода (перестройки) при изменении параметров системы или с повышением тона колебания. Знание свойств спектра колебаний необходимо и при разработке мероприятий по борьбе с усталостными разрушениями. Для композитных материалов эффективным может быть частотная отстройка за счет изменения структуры композиционного материала, для пластин и, оболочек сложной геометрии - за счет изменения формы очертаний, кривизны поверхности и т.д. Учет частот и форм свободных колебаний необходим также при проведении резонансных испытаний.
Однако инженерные методы' исследования частот и форм
свободных колебаний элементов конструкций ЛА сложной геометрии практически не разработаны. Кроме того не проводились и экспериментальные исследования спектра свободных колебаний элементов этого класса с целью изучения влияния геометрических параметров и граничных условий на частоты и формы и подтвервдения справедливости использования кинематических гипотез в моделях.
Указанные причины и определяют актуальность темы данной диссертационной работы.
Целью работы является:
построение на основе соотношений уточненной теории оболочек типа Тимошенко с явным выделением поперечных сдвигов уравнений свободных колебаний слоистых анизотропных оболочек сложной геометрии со слоями переменной толщины;
разработка на основе- полученных соотношений и вариационного метода Ритца численного алгоритма определения частот и форм свободных колебаний анизотропных слоистых пластин и оболочек сложной геометрии;
- разработка экспериментальной установки для исследования
частот и форм свободных колебаний панелей сложной геометрии при
произвольных условиях закрепления их по контуру;
экспериментальные исследования влияния геометрических параметров и условий закрепления контура на частоты и формы свободных колебаний цилиндрических панелей со сложным контуром;
- исследования на основе разработанной методики частот и форм
свободных колебаний пластинчатых и оболочечных элементов
авиационных конструкций сложной геометрии и изучения влияния на
их частотные характеристики параметров геометрии и анизотропии.
На защиту выносятся:
-
уравнения свободных колебаний слоистых анизотропных оболочек сложной геометрии со слоями переменной толщины, построенные в рамках уточненной модели типа Тимошенко . с явным выделением поперечных сдвигов;
-
алгоритм численного решения задач свободных колебаний
оболочек сложной геометрии и реализующей его пакет прикладных программ;
3) результаты экспериментальных исследований частот иформ
свободных колебаний типовых элементов конструкций ЛА типа
цилиндрических панелей с косым срезом при произвольных условиях
закрепления контура;
4) качественный и количественный анализ влияния
геометрических особенностей обьектов исследования на их
частотные характеристики;
5) результаты решения задач свободных колебаний для
типовых элементов ЛА; практические рекомендации.
Научная новизна работы заключаются в построении уравнений свободных колебаний слоистых анизотропных оболочек сложной геометрии со слоями переменной толщины на основе уточненной модели типа Тимошенко с явным выделением поперечных сдвигов; в разработке на их основе методики, алгоритма и специализированного программного обеспечения для расчета частот и форм свободных колебаний слоистых пласиш и оболочек сложной геометрии; в результатах экспериментального исследования влияния косого среза и условий закрепления контура элементов конструкций ЛА типа цилиндрических панелей с косым срезом на частоты и формы свободных колебаний; в результатах численного эксперимента с целью изучения влияния параметров геометрии на частотные характеристики типовых элементов тонкостенных, конструкций.
Практическая ценность диссертации состоит в разработке и реализации на ЭВМ и ПЭВМ эффективного метода расчета характеристик свободных колебаний слоистых анизотропных оболочек сложной геометрии со слоями переменной толщины, с помощью которого проведены обширные исследования свободных колебаний типовых элементов авиационных конструкций; в результатах экспериментальных исследований (физический эксперимент) частот и форм свободных колебаний цилиндрических панелей с косым срезом при различных вариантах закрепления контура.
Полученные на основе разработанной методики и реализующего
его пакета прикладных программ результаты решения конкретной задачи использованы заинтересованной организацией в комплексе прочностных исследований проектируемого изделия.
Достоверность полученных результатов . подтверждена их совпадением для классических задач с известными решениями на основе других подходов, для ряда пластин и оболочек хорошей согласованностью с данными экспериментальных исследований, и основывается на использовании апробированных гипотез и математической корректности решений.
Публикация и апробация работы. Основное содержание исследований по теме диссертации опубликовано в работах [1-6] По ее результатам сделаны доклады на Всесоюзных школах молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы механики оболочек" ( г.Казань, 1983, 1985, 1988г.г.), на III научно-технической конференции "Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов" (г.Калининград, 1984 г.), на 11-ой Республиканской научно- технической конференции "Механика машиностроения" (г.Брежнєв, 1987 г.), на IV Всесоюзной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" ( г. Харьков, 1991 г.).
Структура и обьем работы.диссертационная работа состоит из введения, четырех-глав, заключения и содержит 157 страниц машинописного текста, в том числе 12 таблиц, 47 рисунков и библиографического списка, включающего 263 названия.