Введение к работе
Актуальность работы. Существует множество исследований поведения складчатых заполнителей при различных видах нагружения. Условно все исследования при статическом нагружении можно разделить на 2 группы: метод конечных элементов (работы авторов: Nguyen M.Q., Jacombs S.S., Thomson R.S., Hachenberg D., Scott ML., Kintscher M., Karger L., Wetzel A., Hartung D., Deleo F., Wade В., Feraboli P., Rassaian M, Fischer S., Drechsler K., Kilchert S., Johnson A., Heimbs S., Vogt D., Hartnack R., Schlattmann J., Maier M. И др.) и теоретико-экспериментальный метод (работы авторов: Халиулин В. И., Двоеглазов И.В., Петрушенко Р.Ю., Раздайбедин А.А., Акишев Н. И., Закиров И. И., Паймушин В. Н., Шишов М. А., Карликов Ю.А., Каюмов Р.А., Зиннуров Р.А.. Алексеев К.П., Закиров И.М., Алексеев К.А., Lebee A.. Sab К и др.). Каждый из подходов имеет свои достоинства и недостатки, о которых подробно говорится в главе 2. Множество трудов посвящено устойчивости и деформированию анизотропных пластин (работы Пустового Н.В., Бирюк В.И.), структурной оптимизации и проектированию узлов летательных аппаратов (Комаров В.А.)
Экспериментальные и теоретические исследования при динамическом
воздействии (воздушной ударной волны) на сэндвич-панели с сотовым
заполнителем (Y. Chi, G.S. Langdon, G.N. Nurick, Feng Zhu, Zhihua Wang,
Guoxing Lu, D. Karagiozova, ), заполнителем из пеноалюминия (Бутарович Д.О.,
Рябов Д.М., Смирнов А.А.) и сетчатым металлическим пирамидальным
заполнителем (в работах Kumar P. Dharmasena, Haydn N.G. Wadley, Keith
Williams. Zhenyu Xue, John W. Hutchinson) получили широкое
распространение. Однако подобные исследования с композитными складчатыми заполнителями не проводились, хотя вычислительные
эксперименты главы 2 показали перспективность их использования в качестве энергопоглащающих панелей при динамическом воздействии.
На данный момент не существует единого метода расчета параметров НДС и поведения композитных складчатых заполнителей различных конфигураций при статических и динамических видах нагружения.
Кроме того, проведение физических экспериментов по определению прочностных и энергопоглащающих характеристик требует значительных ресурсов и затрат времени.
Построение метода расчета и оптимизация конструкции многослойной авиационной панели со складчатым заполнителем с учетом различных геометрических конфигураций, специфических особенностей материала изготовления, схемы армирования и количества слоев (в случае композитного материала), а также технологических ограничений, вида нагрузки является актуальной междисциплинарной задачей, решение которой позволяет рассчитать параметры НДС панели и получить рациональную конфигурацию заполнителя.
Данное исследование показало высокую перспективность использования панелей на основе композитного складчатого заполнителя типа V-гофр в качестве защитного экрана для противодействия воздушной ударной волне.
Целью диссертационной работы является создание метода расчета параметров НДС и поведения перспективных трехслойных авиационных панелей со складчатым заполнителем (в том числе композитным) при различных видах механических нагрузок и заданных технологических и технико-экономических ограничениях, а также выбора оптимального и рационального состава и параметров конструкции этих панелей.
Научная новизна результатов, выносимых на защиту.
-
Разработано программное обеспечение параметрического построения геометрии складчатых заполнителей, на языке APDL сформирован алгоритм расчета процесса формообразования заполнителя типа Z-гофр.
-
Создан конечно-элементный метод расчета параметров НДС складчатых заполнителей при различных видах статических и динамических нагрузок с использованием решателя LS-DYNA и методика оптимизации при помощи осреднения панелей с учетом ортотропии материала в локальных системах координат граней заполнителя.
-
Построен алгоритм, позволяющий по экспериментальной диаграмме «напряжение-деформация» при обжатии трехслойной панели определять требуемую модель материала и критерии разрушения.
-
Впервые проведено исследование и оценка эффективности композитных складчатых заполнителей в качестве энергопоглащающего заполнителя в составе стального защитного экрана для противодействия воздушной ударной волне.
-
Построены структурные формулы с учетом схемы армирования композитного материала в осях ортотропии для оценки рационального состава и параметров заполнителя при статических видах нагружения. Практическая значимость. Результаты диссертационной работы
используются при производстве складчатых заполнителей на кафедре ПЛА КНИТУ-КАИ. Комплекс программного обеспечения позволяет проводить расчеты формообразования и геометрических параметров Z-гофра, расчеты параметров НДС, оптимизацию состава и конструкции авиационных панелей с композитным складчатым заполнителем naZ-, Z-M, V-гофра.
Полученные результаты исследования позволяют проводить расчет параметров и оптимизацию геометрии и схемы армирования композитных складчатых заполнителей при различных статических и динамических видах нагружения как в составе сэндвич панели так и обособленно.
Результаты исследования применяются в лабораторных работах по дисциплине «Расчет на прочность и методы испытания композитных конструкций» на кафедре ПЛА КНИТУ-КАИ. Кроме того, созданный метод может быть использован в смежных областях проектирования и производства.
Методы исследования. В работе использованы программный комплекс
ANSYS в качестве решателя и препроцессора, решатель LS-DYNA, методы
осреднения и гомогенизации, метод конечных элементов, метод
решения трёхмерных динамических нелинейных задач механики деформируемого твёрдого тела.
Достоверность результатов исследования обеспечивается применением известных математических методов, а также фундаментальных положений механики деформируемого твердого тела, использованием апробированных коммерческих программных комплексов конечно-элементного моделирования,
верификацией результатов с экспериментальными данными, использованием конечно-элементных методик проверки достоверности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: международной научно-практической конференция «Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки», Москва, 2013 г.; 23-м международном научном семинаре «Проблемы моделирования и динамики сложных междисциплинарных систем», Казань, 2013г.; научно-практической конференции студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города», Казань, 2011.; конкурсе на соискание премии Мэра г.Казани, 2011г.; международной конференции «XVIII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ», Казань, 2010г.; международной конференции «XVII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ», Казань, 2009г.; конкурсе научно-технических работ, посвященном 100-летию со дня рождения М.Л. Миля, Казань, 2009г.; международной конференции «XV ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ», Казань, 2007г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе две статьи в периодических изданиях из перечня ВАК.
Гранты. Исследования проводились по следующим грантам:
-
Аналитическая ведомственная целевая программа (АВЦП) на 2011 г: Проект "Математическое моделирование и управление в задачах механики сплошных сред", №2.1.1/13290.
-
Государственный контракт №02.740.11.0503 от 15 марта 2010 г. Тема: "Методы конструирования и производства многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов со складчатым заполнителем".
-
Государственное задание Министерства образования и науки РФ. Тема: "Разработка комплекса материаловедческих и конструктивно-технологических решений для повышения ударостойкости композитных конструкций".
-
Фундаментальные прикладные исследования по гос.заданию на 2012-2014гг.: Проект "Математическое моделирование и управление в нелинейных задачах механики сплошных сред".
Стипендии и премии.
-
Стипендия Президента Российской федерации 2012-2013г
-
Стипендия Мэра города Казани 2011
3. Всероссийский конкурс на лучшую работу студентов по естественным,
техническим и гуманитарным наукам в ВУЗах РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 119 страниц, включая 9 таблиц и 48 рисунков. Список литературы насчитывает 53 наименования.
