Содержание к диссертации
Введение
1. Задачи оптимального проектирования композитных материалов и конструкций 9
1.1. Современное состояние вопроса 9
1.2. Анализ предельных возможностей и процесс предварительного проектирования 29
1.3. Инструменты исследования 47
2. Оптимальное проектирование многослойных волокнистых композитов ...57
2.1. Композит как объект оптимизации. Карты свойств и границы предельных возможностей 58
2.2. Оптимизация жесткостных характеристик композитов 63
2.3. Композиты, оптимальные по прочности 74
3. Оптимальное проектирование размеростабильных композитных конструкций 96
3.1. Размеростабильные композитные конструкции и термомеханика композитов 96
3.2. Одноосные задачи размеростабильности 106
3.3. Двухосные задачи и особые концепции размеростабильности 115
3.4. Анализ чувствительности в задачах размеростабильности 129
4. Оптимальное проектирование композитных конструкций с контролируемым демпфированием 151
4.1. Техническая теория демпфирования и постановки задач оптимизации диссипативных характеристик композитных элементов конструкций 153
4.2. Оптимизация характеристик демпфирования многослойных стержней 160
4.3. Оптимизация характеристик демпфирования многослойных композитных пластин, панелей и оболочек 194
5. Оптимальное проектирование несущих цилиндрических оболочек 235
5.1. Сравнительный анализ оптимальных несущих оболочек различных конструктивных схем 236
5.2. Задачи максимизации устойчивости многослойных цилиндрических оболочек 274
6. Оптимизация динамических и диссипативных характеристик трехслойных элементов конструкций с многослойными композитными обшивками 298
6.1. Колебания трехслойных композитных стержней 299
6.2. Колебания трехслойных пластин с композитными обшивками 311
6.3. Колебания трехслойных композитных цилиндрических
панелей и оболочек 325
Выводы 336
Список литературы 338
- Анализ предельных возможностей и процесс предварительного проектирования
- Композит как объект оптимизации. Карты свойств и границы предельных возможностей
- Двухосные задачи и особые концепции размеростабильности
- Техническая теория демпфирования и постановки задач оптимизации диссипативных характеристик композитных элементов конструкций
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы определяется распространенностью задач проектирования композитных конструкций в современной ракетно-космической технике Как во вновь создаваемых, так и в модернизируемых изделиях композиты становятся основными конструкционными материалами Примерами тому являются несущие конструкции отсеков и обтекателей ракет, а также элементы космических изделий, к которым часто предъявляются уникальные требования Анализ возможных сочетаний этих требований при оптимальном использовании потенциалов каждого из существующих типов композитов, а также поиск возможностей рационализации постановок задач оптимального проектирования композитных конструкций являются весьма актуальными проблемами современной ракетно-космической техники
Бесконечному разнообразию вариантов композитных структур соответствует бесконечное разнообразие сочетаний их характеристик Как правило, наибольший интерес представляют те сочетания свойств, которые соответствуют наилучшим из доступных значений эксплуатационных характеристик композитной конструкции Задача проектирования обычно сводится к компромиссному выбору между сочетаниями свойств, из которых часть лучше в одних вариантах, а другая часть — в других В этих условиях чрезвычайно важно представлять себе предельные возможности того или иного композитного материала или выполненной из этого материала конструкции, то есть, возможные оптимальные сочетания характеристик, доступные при варьировании внутренней структуры
Как правило, при проектировании композитных конструкций требуется управление не одной, а сразу несколькими характеристиками Это порождает поистине неисчерпаемое многообразие постановок оптимизационных задач Каждая конкретная задача оптимального проектирования формулируется для конкретной конструкции Однако у этих задач есть и общие закономерности, знание которых позволяет упростить задачи, сделать их решение наглядным, а в ряде случаев - получить возможность проектирования структур с недостижимым другими путями комплексом характеристик
Целью работы является разработка методов проектирования композитных материалов и конструкций ракетно-космической техники, включая
рациональное установление уровней требований к свойствам каждой проектируемой конструкции с учетом их связи между собой путем проведения анализа предельных возможностей,
разумное сокращение и сужение пространств поиска за счет исключения заведомо неоптимальных структур и структур, содержащих необязательные варьируемые параметры,
рациональный подбор математических моделей и расчетных алгоритмов для задач оптимизации, сочетающих быстроту и
компактность вычислений с точностью расчета, адекватной точности исходной информации о проектируемом изделии,
использование специальных типов структур (например,
нечувствительных к разбросам характеристик материала) при
проектировании конструкций со специальными свойствами
(размеростабильных, повышенного демпфирования и т п.)
Для осуществления перечисленного необходимо проведение предварительного проектирования композитной конструкции, которое позволит наилучшим образом сформулировать задачу оптимизации конкретной конструкции из данного класса конструкций Предварительное проектирование предшествует постановке задачи оптимизации конкретной конструкции, поскольку дает возможность уточнить требования, которые могут быть предъявлены к ней
В работе исследованы возможности предварительного проектирования
композитных материалов, к которым предъявляются требования по жесткости и прочности,
размеростабильных композитных конструкций космической техники,
композитных стержней, пластин и оболочек с контролируемым демпфированием,
несущих цилиндрических оболочек (отсеков и обтекателей ракет),
трехслойных элементов конструкций с композитными обшивками, к которым предъявляются требования оптимизации динамических и диссипативных характеристик
Научная новизна работы определяется следующим
Предложен новый подход к оптимизации композитных материалов и конструкций ракетно-космической техники, основанный на объективной оценке взаимосвязи потенциально доступных значений их характеристик Разработаны методы предварительного проектирования, алгоритмы и программы анализа предельных возможностей проектируемых композитных элементов при установлении различных требований к их свойствам Предложенный подход продемонстрирован на конкретных примерах проектирования ракетно-космических конструкций
Разработаны новые критерии оценки композитных материалов для многослойных структур по совокупности возможных сочетаний их свойств Впервые исследованы предельные возможности углепластиков при установлении требований к нескольким характеристикам прочности и жесткости
Развиты новые приемы проектирования размеростабильных композитных конструкций космической техники Исследованы диапазоны изменения параметров углепластиковых структур, обеспечивающих термо- и гигростабильность в сочетании с максимальной жесткостью и прочностью Продемонстрирована возможность управления термическими деформациями космических платформ за счет использования неоднородных композитных структур и рационального выбора позиций размещения аппаратуры 2
Получены аналитические выражения для определения параметров структур, нечувствительных к разбросам характеристик исходных материалов
Разработаны новые математические модели, алгоритмы и программы для проектных расчетов композитных элементов конструкций с контролируемым демпфированием Впервые проведен анализ возможностей создания композитных стержней, пластин и оболочек, а также трехслойных элементов конструкций с оптимальными сочетаниями динамических и диссипативных характеристик
Исследованы приемы рационализации задач проектирования композитных несущих оболочек ракетно-космической техники На примерах реальных конструкций показана методология определения областей рационального применения различных конструктивных схем цилиндрических композитных оболочек Впервые получены и исследованы оптимальные структуры предназначенных для восприятия сжимающих нагрузок оболочек с фиксированным числом слоев
Достоверность результатов диссертации обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых методов и подходов, а также сопоставлением с соответствующими экспериментальными данными и известными результатами других авторов
Практическая значимость работы определяется возможностью использования ее результатов для проектирования композитных материалов различного назначения, размеростабильных космических конструкций, несущих оболочек отсеков и обтекателей ракет, а также многослойных композитных элементов конструкций с контролируемым демпфированием Конструкции такого рода проектировались с участием автора в 1985-2006 гг Результаты работы внедрены в ГКНПЦ им MB Хруничева, РКК «Энергия», НПО им С А Лавочкина и Обнинском НПП «Технология»
Апробация работы. Основные положения диссертации и полученные результаты докладывались на
II Всесоюзной конференции «Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов» (Куйбышев, 1986),
Всесоюзной конференции «Проблемы оптимизации и надежности в строительной механике» (Вильнюс, 1988),
Научно-технической конференции «Крупногабаритные космические конструкции» (Севастополь, 1990),
Второй Московской международной конференции по композитам (Москва, 1994),
Первом всемирном конгрессе по структурной и междисциплинарной оптимизации (Гослар, Германия, 1995),
19 Международной конференции SAMPE Europe (Париж, 1998),
Международной научно-технической конференции «Слоистые композиционные материалы - 98» (Волгоград, 1998),
Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника
фундаментальные проблемы механики и теплообмена» (Москва, 1998),
Всероссийской конференции «Прикладные проблемы механики ракетно-космических систем» (Москва, 2000),
Международной научно-технической конференции «Слоистые композиционные материалы - 2001» (Волгоград, 2001),
II Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника фундаментальные и прикладные проблемы» (Москва, 2003),
I Российском научно-техническом симпозиуме «Интеллектуальные композиционные материалы и конструкции» (Москва, 2004),
Международной научно-технической конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения — 2004» (Волгоград, 2004),
XVII научно-технической конференции "Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов" (Обнинск, 2004),
Международной научной конференции, посвященной 90-летию В И Феодосьева «Ракетно-космическая техника Фундаментальные и прикладные проблемы механики» (Москва, 2006),
Заседании семинара Научного Совета РАН по механике конструкций из композиционных материалов (Москва, 2006)
Личный вклад автора. Все научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором Во всех случаях заимствования других результатов в диссертации приведены ссьшки на литературные источники
Автор выражает искреннюю признательность коллегам по творческому коллективу Лаборатории композитов НИИСМ МГТУ им Н Э Баумана и Института композитных технологий, вместе с которыми выполнялись исследования, лежащие в основе диссертации. Их участие отражено в цитируемых в работе совместных публикациях Особо следует сказать о том, что этот труд был бы невозможен без многолетнего сотрудничества с П А Зиновьевым, чутким наставником и остроумным критиком Его светлой памяти автор хотел бы посвятить свою работу
Публикация результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 работах
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 494 наименований и приложений Общий объем диссертации с приложениями - 410 с, в том числе 255 с основного текста и 82 листа с рисунками и таблицами
Анализ предельных возможностей и процесс предварительного проектирования
Известно деление расчетных задач на прямые и обратные [269]. Под прямой задачей принято понимать задачу расчета свойств конструкции с известными параметрами, а под обратной - задачу определения параметров конструкции с заданными свойствами.
Для проектирования композитных конструкций такое деление, как правило, является слишком общим. В рамках данной работы различаются четыре основных типа задач. Задача расчета свойств (прямой расчет) характеризуется отсутствием варьируемых параметров, а, следовательно, и неизменными свойствами объекта. Задача параметрического анализа, в которой выделяются 1 -2 варьируемых параметра, в то время как прочие параметры сохраняют фиксированные значения. Целью исследования является построение графиков зависимости свойств объекта от изменения варьируемых параметров. Задача скалярной оптимизации или задача математического программирования, в которой имеется произвольное число варьируемых параметров. Эта задача характеризуется фиксированным уровнем требований ко всем свойствам объекта, кроме одного, выбранного заранее. Решением такой задачи служит один или несколько оптимальных наборов параметров. Задача исследования предельных возможностей, в которой варьируются не только параметры проектируемого объекта, но и требования к его свойствам. В качестве решения такой задачи могут выступать области компромиссов или поверхности предельных возможностей в многомерных пространствах требований к характеристикам композитного материала или конструкции. Задачи прямого расчета составляют основу проектирования, поскольку любая задача высшего типа сводится к многократному расчету конструкций с различными значениями варьируемых параметров. Задача прямого расчета всегда имеет единственное решение. Алгоритмы решения прямых задач, используемые при проектировании (в частности, алгоритмы, представленные в последующих главах настоящей работы), должны отвечать ряду требований. Первое из таких требований - компактность и быстродействие. При решении задачи МП число обращений к алгоритму прямого расчета может составлять 104-ь106, а при исследовании предельных возможностей - быть еще на 1ч-2 порядка больше. Идеальным является аналитическое решение - везде, где это возможно. В остальных случаях следует стремиться к разумному упрощению расчетных моделей. Во-вторых, точность таких алгоритмов (и лежащих в их основе расчетных моделей) должна быть оптимальной, т.е., адекватной точности исходной информации. А поскольку при проектировании несуществующей пока конструкции исходная информация обычно известна лишь приблизительно - зачастую достаточно, чтобы применяемый расчетный алгоритм качественно верно отражал зависимость исследуемого свойства от варьируемых параметров. Более точное знание достигается при последующей экспериментальной отработке композитной конструкции. Наконец, расчетные алгоритмы должны требовать минимального количества информации о свойствах материалов. Поскольку свойства композитов зависят от технологии их создания, на этапе проектирования обычно недоступны сложные наборы констант материала. Следует ограничиваться такими простыми величинами, как модули упругости, пределы прочности при одноосных нагружениях и т.п. Параметрический анализ обычно является начальной ступенью исследования задачи оптимизации. Зависимости интересующих проектанта характеристик от основных варьируемых параметров могут использоваться для корректной формулировки задачи проектирования. Сам по себе параметрический анализ не подразумевает выбора оптимальных параметров, но в некоторых случаях такой выбор может быть проведен на основе полученных графиков. Кроме того, параметрический анализ может сыграть и более важную роль в тех случаях, когда оптимизируемый объект имеет всего один или два варьируемых параметра. В этих случаях с помощью такого анализа могут быть получены решения задач скалярной оптимизации или исследования предельных возможностей. В задаче скалярной оптимизации выбирается вектор варьируемых параметров Х= {хь х2, ..., хп}, при этом для каждого из параметров задаются границы диапазона варьирования (1.1). Предполагается, что все компоненты вектора X варьируются независимо. Число независимых варьируемых параметров п представляет собой число измерений пространства поиска и называется размерностью задачи оптимизации. Вектору варьируемых параметров соответствует целевая функция М(Х), представляющая собой математическую запись единственного экстремального ЛКЭ. Кроме того, возможно произвольное количество функций-ограничений, для каждой из которых также установлены границы допустимых диапазонов (1.2).
Суть задачи математического программирования заключается в отыскании такого значения вектора X , которое доставляло бы экстремум целевой функции и при этом обеспечивало бы нахождение в заданных пределах всех функций-ограничений:
Тип экстремума целевой функции может быть различным: максимизация или минимизация, а в некоторых случаях - поиск значения, наиболее близкого к нулю (то есть, минимизация абсолютного значения целевой функции - такие задачи возникают, например, при проектировании размеростабильных композитных конструкций).
Область пространства поиска, в которой выполняются все ограничения вида (1.1) и (1.2), образует множество допустимых реализаций проекта [151] или допустимую область Dx.
В теории оптимизации принято рассматривать наряду с ограничениями вида (1.2) также ограничения в виде равенств. В задачах оптимального проектирования композитных конструкций ограничения в виде равенств присутствуют нечасто, а если они все же присутствуют - наилучшим путем является использование таких зависимостей для исключения лишних варьируемых параметров и понижения тем самым размерности задачи оптимизации [248].
Композит как объект оптимизации. Карты свойств и границы предельных возможностей
В этот набор входят модули упругости и коэффициенты матрицы жесткости, коэффициенты термического и влажностного расширения, термических и гигромеханических напряжений, коэффициенты диссипации и мощности диссипации, средняя плотность, удельная теплоемкость и удельная стоимость, коэффициенты теплопроводности, удельные электрические сопротивления и величины диэлектрической проницаемости. Для каждой из этих характеристик могут быть построены графики параметрического анализа при изменении одного или двух параметров структура пакета.
Программа TRELA обеспечивает проведение расчетов свойств, параметрического анализа и оптимизации цилиндрических (в варианте TRELA-K - конических) трехслойных оболочек с многослойными композитными обшивками и легким (сотовым) заполнителем. Программа производит поиск оптимальной совокупности структурных параметров оболочки, обеспечивающих экстремальное значение выбранной характеристики при обеспечении в заданных пределах значений других характеристик оболочки. С помощью системы TRELA могут анализироваться тонкостенные ортотропные цилиндрические оболочки, симметричные относительно своей серединной поверхности. Каждая из многослойных обшивок может содержать различные композитные слои, отличающиеся свойствами материала слоя либо направлением ориентации этих свойств: однонаправленные слои, ориентированные в направлении оси цилиндра, в кольцевом направлении, а также любой набор перекрестно армированных слоев, ориентированных симметрично относительно этих осей. Полный набор свойств трехслойной композитной оболочки, которые могут анализироваться с помощью программы TRELA, включает в себя массу оболочки, общую толщину трехслойного пакета, жесткость оболочки на растяжение-сжатие в осевом направлении, крутильную жесткость оболочки, осевой коэффициент линейного термического расширения, осевой коэффициент теплопроводности, стоимость материала в конструкции и низшую частоту колебаний ненагруженной оболочки. Кроме того, TRELA позволяет анализировать свойства, проявляемые конструкцией под нагрузкой (в нескольких независимых расчетных случаях нагружения). К таким свойствам относятся несущая способность трехслойной оболочки, включая прочность многослойного пакета, общую и местную устойчивость, осевое смещение цилиндрической оболочки при термосиловом нагружении и низшая частота колебаний оболочки при заданных нагрузках. Анализ прочности многослойного пакета может проводиться как по первому разрушению, так и при нелинейном деформировании - с использованием описанного в главе 2 алгоритма (см. рис. 1.8). Анализ устойчивости трехслойной оболочки проводится с учетом податливости легкого заполнителя и включает исследование общих и местных форм потери устойчивости, описанных в главе 5. Динамические характеристики вычисляются на основе зависимостей, приведенных в главе 6. Программа включает в себя встроенные банки данных о композиционных материалах.
Программы TETRA, STRID и BarD по своим возможностям аналогичны программе TETRA и различаются объектами исследования. Расчетные алгоритмы, лежащие в основе этих программ, описаны в пятой главе.
Серия программ ODA (Oscillation & Damping Analysis) предназначена для анализа собственных частот, коэффициентов диссипации и мощностей диссипации многослойных композитных элементов конструкций в соответствии с подходами, изложенными в главе 4 настоящей работы. Она включает программы ODA-B, ODA-P и ODA-S, с помощью которых можно проводить расчеты свойств многослойных стержней, пластин, панелей и оболочек, а также ODA-SB, ODA-SP и ODA-SS, предназначенные для расчетов трехслойных стержней, пластин, панелей и оболочек с многослойными композитными обшивками и легким (сотовым) заполнителем. С помощью этих последних программ проведены расчеты, результаты которых представлены в шестой главе.
Отличительной особенностью программы TeDeCT является учет температурных зависимостей всех свойств материалов слоев многослойных композитных элементов.
При помощи этой программы может быть проведен анализ таких возмущающих факторов размеростабильных конструкций, как отклонение траекторий армирования от номинальных, наличие односторонних наплывов связующего и т.п. Эти вопросы рассматриваются в третьей главе настоящей работы.
Наконец, программы UniCAD и GeCAD, предназначенные для расчетов, параметрического анализа и оптимизации однонаправленных и многослойных композитов, отличаются крайней простотой и удобством эксплуатации. Эти программы активно используются автором и его коллегами при обучении студентов.
Программы проектирования композитных материалов, использующие алгоритм глобального перебора для решения задач скалярной оптимизации, имеют возможность проведения анализа предельных возможностей в автоматическом режиме с построением карт свойств (рис. 1.9,а) и границ предельных возможностей (рис. 1.9,6) непосредственно на экране компьютера. При оптимизации сложных конструкций, как это обсуждается в главе 5, автоматический режим анализа предельных возможностей приходится дополнять поверочными оптимизационными расчетами, поскольку при построении различных точек исследуемой границы необходимо изменять настройки поиска для повышения вероятности нахождения глобального экстремума среди локальных. Тем не менее, версии WinTRELA и WinTETRA соответствующих программ имеют возможность проведения такого анализа в автоматическом режиме.
В настоящее время на основе модернизированных программ TRELA, TETRA и STRID автором разрабатывается программный комплекс анализа, оптимизации и исследования предельных возможностей цилиндрических несущих оболочек и панелей различных конструктивных схем CSPD (Composite Shells & Panels Designer). Часть расчетов, результаты которых приведены в пятой главе данной работы, выполнены с помощью этого комплекса.
Программный комплекс DeDiS (Designer of Dimensionally Stable Composite Structures), использованный при написании третьей главы диссертации, также находится пока в разработке.
Двухосные задачи и особые концепции размеростабильности
Проектирование размеростабильных конструкций за последние годы оформилось в самостоятельный класс задач, широко востребованных современной промышленностью. К таким конструкциям относятся крупногабаритные космические антенны, платформы и другие несущие конструкции для размещения высокоточной аппаратуры, корпуса спутниковых телескопов и фотоаппаратов. Во всех этих случаях основным требованием, определяющим работоспособность конструкции, является сохранение заданных размеров при изменении различных характеристик окружающей среды: влажности, радиации и прочих факторов космического пространства, но в первую очередь - температуры. Поэтому в узком смысле слова размеростабильными конструкциями часто называют конструкции с нулевыми или близкими к нулю коэффициентами линейного термического расширения в заданных направлениях в установленном температурном диапазоне. Размеростабильные композитные структуры сегодня находят применение также при проведении физических экспериментов, в высокоточных приборах и аппаратуре и в других проектах, требующих точного взаимного позиционирования элементов.
Проблемы разработки размеростабильных конструкций весьма многообразны [208, 272]. Наряду с собственно проектными задачами они включают сложный комплекс вопросов, связанных с технологической реализацией проекта, экспериментальной отработкой и т.д. В соответствии с тематикой данной работы, здесь рассматриваются только задачи оптимального выбора параметров композитных структур, обеспечивающих требования размеростабильности.
Условия размеростабильности являются общими для всех конструкций такого рода. Наряду с ними в каждом конкретном случае могут ставиться требования по прочности, жесткости, теплопроводности и другим свойствам композитных конструкций. В этих условиях особую важность приобретает процесс предварительного проектирования с целью выявления возможности компромиссного сочетания этих требований.
Основным условием проектирования размеростабильных конструкций является определение таких структурных параметров композита, которые обеспечивают равенство нулю тех или иных компонент вектора деформаций при температурных воздействиях [81]. Эта задача сводится к задаче управления характеристиками термического расширения материала -коэффициентами линейного термического расширения. Если температурный интервал, в котором работает конструкция, невелик, то достаточно оперировать со средними КЛТР материала. При больших температурных интервалах необходимо учитывать температурную зависимость как КЛТР, так и жесткостных характеристик композита [102, 188, 237, 238, 328, 368]. В этих случаях возможны пошаговые процедуры с кусочно-линейной аппроксимацией температурных деформаций на каждом шаге по температуре. При этом задача поиска оптимальных сочетаний свойств композитной конструкции принципиально не усложняется; необходимо лишь использовать вместо текущих значений КЛТР соответствующие интегральные характеристики для данного температурного диапазона.
Управление коэффициентами линейного термического расширения -необходимое, но не всегда достаточное условие проектирования размеростабильных конструкций. В некоторых случаях для достижения размеростабильности необходимо также учесть влажностное деформирование и влияние прочих факторов окружающей среды (газовый состав, радиация и т.п.). Кроме того, для практической реализации оптимальных проектов важно исследовать устойчивость полученных решений к неизбежным отклонениям конструктивно-технологических параметров и разбросам характеристик исходных материалов. Материалы, изложенные в данной главе, представляют собой обобщение результатов исследований, проведенных автором при разработке композитных размеростабильных конструкций, представленных на рис. 3.1. К ним относятся: углепластиковые трубы каркаса космического радиотелескопа разработки НПО им. С.А. Лавочкина, г. Химки (1997ч-98 гг., рис. 3.1,а); штанги поворотного устройства космического аппарата «Кондор» разработки НПО Машиностроения, г. Реутов (2001 г., рис. 3.1,6); профили корпуса ультрафиолетового телескопа Т-170М с гофрированной обечайкой разработки НПО им. С.А. Лавочкина, г. Химки (2003- -05 гг., рис. 3.1,в); рама детектора переходного излучения, разработанная ОНПП «Технология», г. Обнинск, совместно с Институтом физики высоких энергий, г. Протвино, в рамках российского участия в международном проекте «ATLAS» по заказу европейского центра ядерных исследований CERN, г. Женева, Швейцария (1998 -2003 гг., рис. 3.1,г); несущие конструкции объектива оптического модуля космического аппарата разработки НПО им. С.А. Лавочкина, г. Химки, по заказу ОАО «ЛОМО», г. Санкт-Петербург (2001 -06 гг., рис. 3.1,д); прецизионная платформа для размещения высокоточной оптической аппаратуры спутника дистанционного зондирования Земли разработки ГКНПЦ им. МБ. Хруничева, г. Москва (2002-Ю5 гг., рис. 3.1,е). Все перечисленные конструкции разрабатывались совместно с ОНПП «Технология» (г. Обнинск), где были изготовлены их опытные образцы. Кроме того, исследования по проектированию размеростабильных композитных конструкций проводились в рамках Государственных контрактов № 950-4796.96 от 28.06.96 (1996-98 гг.) № 851-2111/06 от 24.03.06 (2006 г.). Во всех перечисленных работах, выполнявшихся в широкой кооперации, сфера деятельности автора заключалась в: анализе концепций размеростабильности и участии в определении общего облика размеростабильной конструкции.
Техническая теория демпфирования и постановки задач оптимизации диссипативных характеристик композитных элементов конструкций
Рама детектора переходного излучения представляет собой монолитную ажурную конструкцию, получаемую фрезерованием из сплошной углепластиковой плиты большой толщины. Две одинаковые рамы устанавливаются соосно, и между ними размещаются детекторы излучения, необходимые для проведения физических экспериментов по проекту «ATLAS». Детекторы крепятся к рамам в местах пересечения радиальных и кольцевых элементов рамы. Основным требованием к несущей конструкции является точное позиционирование детекторов при наличии колебаний температуры и влажности окружающей среды.
Наиболее ответственными несущими конструкциями объектива оптического модуля [216] являются платформа, на которой крепится оптический элемент (показана темно-синим цветом на рис. 3.1,д), и наружный корпус в виде цилиндрической оболочки (серо-голубой цвет). Требования к размеростабильной платформе подробно описаны в п. 3.3; для наружного корпуса помимо условий жесткости и прочности основным является требование обеспечения постоянного расстояния между оптическими элементами, находящимися около его торцов.
На платформе для размещения высокоточной оптической аппаратуры спутника дистанционного зондирования Земли [210] крепятся два массивных оптических прибора, оси которых в рабочем положении должны быть строго параллельны. Это и является основным требованием к изделию, которое, кроме того, должно иметь достаточную прочности и жесткость, а также заданные частоты собственных колебаний. Элементы платформы, как и рассмотренной выше рамы, получают фрезерованием из сплошной углепластиковой плиты большой толщины [181].
К настоящему времени издано значительное число работ, в которых рассматриваются различные аспекты поведения композитов при температурных нагрузках. Некоторые модели термического деформирования композитов и композитных конструкций представлены, например, в публикациях [45, 58, 61, 80, 81, 82, 99, 112, 188, 196, 280, 308, 312, 342, 433, 445, 462].
Теоретические и экспериментальные данные о термоупругих характеристиках композитных материалов различных видов приводятся в работах [69, 81, 82, 238, 239, 299, 321, 433, 440] и некоторых других. Влияние трещин и иных дефектов структуры на термоупругие характеристики композитов исследовано в [68, 387, 393]. Сведения о поведении композитов при циклическом изменении температуры приводятся в [56, 65, 348, 353]. В работах [69, 70, 136, 483] процессы термического расширения многослойных композитов рассматриваются с учетом статистических факторов.
Различные аспекты проблемы разработки материалов, обеспечивающих стабильные размеры конструкции в широком диапазоне температур, рассматривались в публикациях [57, 81, 82, 87, 119, 241, 255, 281, 301, 307, 311, 368, 369] и некоторых других. Возможности достижения отрицательных значений коэффициента линейного термического расширения обсуждаются в [324, 349 370, 414]. Особо следует упомянуть работу [102], в которой рассматривается минимизация термических деформаций гибридных композитов с учетом зависимости свойств от температуры и времени.
Среди публикаций, в которых исследовались особенности проектирования композитных структур для космических конструкций, можно отметить [28, 127, 196, 209, 288, 302, 306, 307, 312, 328, 342, 352, 437, 448, 460, 491].
Оригинальный способ повышения точности размеростабильных композитных труб обсуждается в [2]. Этот способ основан на активном управлении изгибом и удлинением трубчатого элемента за счет применения направленных электрических воздействий на пьезокерамические элементы, заформованные в структуру многослойного композита; оптимизация подобных структур рассматривается также в работах [313, 317, 403, 461]. Среди самых последних работ, посвященных проектированию размеростабильных труб, следует упомянуть статью [149], в которой изложена приближенная методика определения углов армирования слоев цилиндрического стержня, не имеющего термической закрутки (аналогичная задача ранее решена в более точной постановке в [328]).
Требования к стабильности размеров и формы различаются для разных конструкций; при проектировании каждой из них фактически приходится создавать свою концепцию размеростабильности. Вместе с тем, возможна общая классификация задач проектирования размеростабильных конструкций, которая включает три основных типа: одноосные задачи размеростабильности; двухосные задачи размеростабильности; особые концепции размеростабильности. В первом случае для обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик конструкции достаточно добиться отсутствия термических деформаций в одном заданном направлении. Примерами таких конструкций являются размеростабильные стержни (рис. 3.1,а и в), тубус объектива оптического модуля, изображенного на рис. 3.1,д и другие изделия. Во втором случае необходимо стремиться к полному отсутствию термических деформаций в плоскости многослойного материала. Таковы спутниковые платформы для размещения приборов и аппаратуры; одним из примеров является плита, из которой вырезается показанная на рис. 3.1,е рама. Наконец, особые концепции находят применение при проектировании конструкций, в которых важно не управление свойствами материала во всем объеме конструкции, а обеспечение согласованного деформирования двух или нескольких заданных точек. В качестве примеров таких конструкций можно указать трехслойную платформу, входящую в состав объектива оптического модуля (рис. 3.1,д) и раму детектора переходного излучения, показанную на рис. 3.1,г.
