Методы анализа и прогнозирования технического состояния несущих конструкций из композиционных материалов при многофакторном нагружении Осяев, Олег Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования методов расчетного прогнозирования напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса эксплуатации современных несущих конструкций летательных аппаратов, изготовленных из вязкоупругих полимерных композитных материалов. В процессе длительной эксплуатации корпуса несущих конструкций подвержены изменению прочностных и деформационных свойств по причине появления деформаций ползучести и релаксации напряжений. Проблема достоверного прогнозирования этих процессов обусловлена совокупностью множества факторов, в числе которых: индивидуальные особенности сложных композиционных структур материалов и их реакции на комбинированное воздействие факторов внешней среды. Необратимость происходящих в полимерах диссипативных процессов накладывает существенные термодинамические ограничения на характер уравнений ползучести и возможности применения принципа суперпозиции при моделировании комплексного термосилового нагружения.

Сложность решения таких задач обусловливают такие факторы, как существенная нелинейность исследуемых процессов, порождаемая геометрической и физической нелинейностью свойств конструкционных материалов; конструктивная, временная и физическая анизотропия свойств материалов конструкций; многослойность и неоднородность материалов слоев несущих конструкций корпусов летательных аппаратов; наличие внутреннего заполнителя; наличие пакета многофункциональных средств защиты и дополнительных конструктивных элементов; сложность геометрии несущих конструкций; особенности пространственно-временных законов распределения нагрузок; многофакторность воздействий условий внешней среды. Индивидуальность проявления указанных особенностей у существующих и новых полимерных композитов приводит к необходимости применения экспериментальных методов исследования отдельных полимерных материалов, композиций и конструкций. Многофакторность условий эксплуатации конструкций из вязкоупругих материалов требует создания обобщенных и комбинированных методов решения таких задач. Кроме того, необходимость достоверного прогнозирования остаточного ресурса летательных аппаратов, эксплуатируемых за пределами гарантийных сроков, с учетом факторов естественного старения материалов, накопления повреждений, снижения запасов несущей способности и стойкости к воздействию термосиловых нагрузок, требует поиска новых, наиболее достоверных методов решения задач наследственной ползучести конструкций из полимерных композитов. Это особенно характерно для современных многослойных и многофункциональных конструкций летательных аппаратов в авиастроении и ракетостроении при сложном кинетико-химическом, тепловом и напряженно-деформированном состоянии. Всё это свидетельствует о высокой актуальности проводимых исследований и разработок в данной области.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов определения кратковременной и длительной прочности композитных несущих конструкций летательных аппаратов при многофакторном нагружении в процессе длительной эксплуатации, а также в построении обеспечивающих их математических моделей.

Реализация цели определяется решением следующих частных задач:

1. разработка методов анализа обобщенных кинетико-механических, эмпирических и термодинамических характеристик кратковременной и длительной прочности полимерных композитных материалов;

2. разработка методов оценки запаса несущей способности полимерных композитных конструкций корпусов летательных аппаратов при комплексном комбинированном воздействии термосиловых нагрузок в процессе их эксплуатации;

3. разработка поддерживающих эти методы новых физических и математических моделей для анализа поведения многослойных полимерных композитов в процессе естественного старения и многофакторного термосилового нагружения;

4. экспериментальное и имитационное исследования поведения материалов и конструкций летательных аппаратов в условиях воздействия факторов эксплуатации на основе построенных методов и полученных моделей;

5. численное моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния многослойных оболочек корпусов летательных аппаратов при действии термосиловых нагрузок.

Основные содержательные результаты диссертации и степень их научной новизны.

5. 1. Разработанный в диссертации метод анализа обобщенных наследственных кинетико-механических характеристик термовязкоупругости полимерных композитов отличается от известных методов анализа механических характеристик материалов тем, что построен на основе новых обобщенных кинетико-эмпирических наследственных уравнений ползучести и релаксации, динамико-температурной модификации параметра времени испытаний, а также на основе результатов экспериментального определения коэффициентов связи между параметрами обобщенного кинетического уравнения ползучести, что позволяет производить оценку кратковременной и длительной прочности сложных полимерных композитных конструкций при многофакторном нагружении;

   2. Разработанный в диссертации метод оценки запаса прочности и несущей способности реологических материалов и многослойных конструкций из полимерных композитных материалов отличается от известных методов оценки прочности, во-первых, введением новых обобщенных кинетико-механических моделей термовязкоупругости для одноосного и сложного напряженно-деформированного состояния полимерных композитных материалов и многофункциональных несущих конструкций, а, во-вторых, применением новых обобщенных кинетико-эмпирических и термодинамических критериев для оценки кратковременной и длительной прочности, что позволяет автоматически учитывать термодинамические ограничения на связанные с ростом энтропии процессы изменения свойств конструкционных материалов при многофакторных воздействиях среды и длительной эксплуатации.

   3. Полученные в диссертации обобщенные физические и математические кинетико-феноменологические модели наследственной ползучести отличаются от известных моделей тем, что устанавливают связь между наноуровневыми процессами накопления повреждений и длительной прочностью материалов конструкций современных летательных аппаратов, а это позволяет использовать их для анализа и прогнозирования поведения полимерных конструкционных композитов в процессе естественного старения и многофакторного термосилового нагружения, с учетом особенностей внутренней структуры вещества.

   4. Разработанный в диссертации метод прогнозирования технического состояния и ресурса эксплуатации многофункциональных композитных конструкций летательных аппаратов при многофакторном воздействии нагрузок и условий эксплуатации отличается от существующих введением новых обобщенных показателей для анализа кратковременной и длительной прочности сложных композитных конструкций при многофакторном нагружении на основе многоуровнего применения методов численного расчета трехмерного теплового и напряженно-деформированного состояния многослойных оболочек, с использованием кинетико-эмпирического подхода, что позволяет решить проблему прогнозирования ресурса эксплуатации сложных конструкций в условиях неопределенности, обусловленной взаимовлиянием процессов изменения состояния вещества при многофакторном воздействии внешней среды.

   5. Разработанный в диссертации метод анализа и определения расчетных случаев термосилового нагружения корпусов летательных аппаратов на этапах эксплуатации отличается от известных введением обобщенных показателей действующих нагрузок, а также способом принятия решений на основе рейтингового ранжирования альтернативных вариантов наиболее неблагоприятных сочетаний параметров многофакторного нагружения.

   6. Полученные автором кинетический и полуэмпирический варианты метода Вольтерра, в отличие от известного прямого символического метода, позволяют свести решение задачи наследственной ползучести к решению соответствующей задачи упругости путем замены упругих констант материала соответствующими временными операторами вязкоупругости на основе синтеза кинетической теории прочности, теории ползучести и данных эксперимента, что позволяет добиться устойчивого решения задачи численного расчета параметров напряженно-деформированного состояния для многослойных конструкций на основе комбинированного использования методов разложения функций параметров состояния конструкции в ряды по времени и двум поверхностным координатам, дискретной ортогонализации и прогонки по толщине.

   7. Выведенные в работе энтропийный критерий длительной прочности и обобщенное выражение долговечности для реологических сред типа Максвелла и Кельвина-Фойхта представлены автором впервые в кинетическом виде на основе анализа кинетической концепции длительной прочности и термодинамики необратимых процессов, и отличается от известных энтропийных критериев установлением связи между термодинамическими, кинетико-физическими и прочностными характеристиками сред данного типа, что позволяет обобщить кинетические и феноменологические модели анализа и оценки прочности материалов на основе единого термодинамического подхода.

   8. Физические уравнения теории ползучести, а также наследственные уравнения вязкоупругости типа Больцмана – Вольтерра для пространственного напряженно-деформированного состояния впервые получены в полуэмпирическом и кинетическом виде на основе теории старения и кинетической теории при сложном напряженно-деформированном состоянии и отличаются от известных уравнений связью ядер ползучести и релаксации с параметрами межатомного взаимодействия, а также, с основными константами твердого тел, что позволяет осуществлять уточненный эволюционный анализ многофакторного состояния вещества на основе наименьшего объема данных экспериментов о характеристиках вещества.

   Теоретическая значимость исследований и их результатов состоит в разработке научно обоснованного аппарата анализа и прогнозирования технического состояния несущих конструкций из композиционных материалов при многофакторном нагружении на основе новых кинетических моделей, описывающих сложное напряженно-деформированное состояние многослойных композитных конструкций и методов анализа этих моделей. Результаты исследований представляют собой вклад в развитие кинетической теории прочности и многофакторного анализа сложных объектов. Результаты работы прошли апробацию на международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях, опубликованы в ведущих научных изданиях, защищены патентами на изобретения и свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ.

   Практическая значимость и реализация результатов.

   Разработанный научно-методический аппарат и результаты диссертационного исследования использованы и внедрены в практическую деятельность ведущих предприятий специального машиностроения: ФГУП МИТ, ФНПЦ ЦНИИСМ, а также научно-исследовательских и образовательных организаций: ГУП 4ЦНИИ МО РФ, 1ГИК МО РФ, ВА РВСН, РВИ РВ, в виде:

   1) метода оценки запаса несущей способности летательных аппаратов, с учетом изменений прочностных и деформационных свойств конструкций в процессе эксплуатации;

   2) метода определения нагрузок на силовые элементы конструкций летательных аппаратов и расчетных случаев нагружения;

   3) метода прочностного расчета несущих конструкций летательных аппаратов, определения свойств конструкционных материалов и оценки прочности конструкций;

   4) математической модели расчета теплового и напряженно-деформированного состояния композитных оболочек с учетом старения материалов конструкции и воздействия термосиловых нагрузок;

   5) комплексной методики оценки запаса несущей способности летательных аппаратов для определения параметров напряженно-деформированного состояния конструкций в процессе их эксплуатации и применения по назначению;

   6) комплекса алгоритмов и программ расчета теплового и напряженно-деформированного состояния многослойных сосудов давления из анизотропных материалов с упруго-вязким заполнителем при комплексном термосиловом нагружении;

   7) технических предложений по повышению прочностной надежности и защиты летательных аппаратов от воздействия факторов среды на этапах эксплуатации;

   8) физических и математических моделей типовых конструкций летательных аппаратов при воздействии термосиловых нагрузок в процессе эксплуатации;

   9) методик и результатов экспериментального исследования поведения силовых конструкций летательных аппаратов при моделировании комплексного воздействия факторов эксплуатации;

   10) показателей для оценки текущего технического состояния летательных аппаратов на любом этапе эксплуатации, а также для прогнозирования прочностной надежности и ресурса летательных аппаратов с учетом технического состояния и вариантов возможных режимов последующей эксплуатации.

   Практическая полезность результатов диссертации подтверждается 7-ю актами их внедрения на предприятиях специального машиностроения и в государственных научных и образовательных организациях. Внедрение позволило повысить качество проектирования и эффективность экспериментальных исследований, сократить затраты на проведение опытно-конструкторских работ и натурных испытаний.

   Полученные в работе результаты могут быть использованы:

   при оценке текущего технического состояния и принятии решений по продлению сроков эксплуатации летательных аппаратов с истекшими сроками эксплуатации;

   при обосновании требований к прочности летательных аппаратов на фоне воздействии факторов эксплуатации;

   при обосновании целесообразности дальнейшей эксплуатации летательных аппаратов, после воздействия экстремальных нагрузок или особых условий эксплуатации;

   при разработке средств и способов защиты перспективных летательных аппаратов от воздействия экстремальных факторов эксплуатации;

   при решении других задач, связанных с прогнозированием прочностной надежности летательных аппаратов при многофакторных воздействиях.

   
   Достоверность результатов диссертации.

   Достоверность моделей поведения полимерных композитов подтверждается результатами многочисленных экспериментальных исследований, выполненных в рамках диссертационной работы и проведенных в ФГУП МИТ, ФНПЦ ЦНИИСМ, ГУП 4ЦНИИ МО РФ, ВА РВСН, РВИ РВ, НИИМПМ ЮФУ. Это подтверждено актами о внедрении результатов диссертации на этих предприятиях промышленности, а также в научно-исследовательских и образовательных учреждениях.

   Достоверность математических и расчетных моделей, а также результатов численного моделирования процессов поведения полимерных композитных конструкций ЛА при термосиловом нагружении обусловлена экспериментальным определением границ области возможных значений искомых функций и подтверждается сходимостью результатов тестовых расчетов с результатами решения частных задач, представленными в опубликованных работах, а также совпадением с частными решениями, выполненными с помощью программы NASTRAN.

   Апробация работы.

   Результаты диссертационных исследований получены в ходе выполнения следующих научно-исследовательских задач: хоздоговорных и плановых НИР в период с 1988 г. по 2009 г. :«Критерий», «Тягач», №889Д, №216/35, №209/61, №642/89, «Катунь», «Сагенит», №688Д, «Вече-3ВАД», «Раздан», «Нанду», «Рымник».

   Основополагающие результаты работы докладывались на 30 научно-технических конференциях, в том числе: на 12 международных и 18 Всероссийских, и получили одобрение. Основные из них: «Методические проблемы расчета и оценки стойкости и защищенности элементов летательных аппаратов» (Москва, 1989, 1990); «Королевские чтения в МГУ» (Москва, 1990); на ХХХ Академических чтениях по космонавтке в МГТУ им. Баумана «Актуальные проблемы российской космонавтики» (Москва, 2006); на XIII Международной конференции «Ломоносов-2006» в МГУ (Москва, 2006); на Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии ХХI века (Пенза 2006); на 5 Международном аэрокосмическом конгрессе, посвященном 20-летию вывода в космос орбитальной станции «МИР» (Москва, 2006); на международной НТК Таганрогского ГПИ «Математические модели и алгоритмы для имитации физических процессов» (Таганрог, 2006); на Х Международной НТК НИИМПМ «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 2006), «Модели и алгоритмы для имитации физическо-химических процессов» (ТГПИ. Таганрог, 2008), «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт –Петербург, 2010), XVIII Всероссийская конференция «Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов и решение задач математической физики» (Новороссийск, 2010), Международный семинар «Системный анализ, управление
   и обработка информации» (Новороссийск, 2010) и др.

   Результаты работы защищены 3 авторскими свидетельствами, 6 патентами на изобретения и 3 свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ.

   Публикации.

   Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 74 научных статьях, 37 докладах трудов международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференций, 33 отчетах о НИР. В ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук опубликовано 23 работы, включая 14 статей и 9 изобретений.

   Структура и объем диссертации.

   Диссертационная работа включает перечень условных обозначений и сокращений, введение, шесть глав, заключение, библиографический список и приложение. Основное содержание работы изложено на 320 страницах машинописного текста и включает 24 таблицы, 60 рисунков, 380 источников литературы.

   Похожие диссертации на Методы анализа и прогнозирования технического состояния несущих конструкций из композиционных материалов при многофакторном нагружении

   

   Модели и методы анализа и прогнозирования технического состояния магистральных газопроводовЖуков, Александр Сергеевич

   Методы и модели анализа и прогнозирования состояния регионального народнохозяйственного комплекса : на примере Забайкальского краяЧерхарова, Наталья Ивановна

   

   Анализ состояния, моделирование и прогнозирование развития и методы информационного обеспечения рационального процесса диагностики заболеваний органов пищеваренияШамардина Елена Николаевна

   

   Разработка методов и средств прогнозирования состояния здоровья новорожденного на основе анализа системной реакции организма беременной Жилинкова Людмила Анатольевна

   

   Разработка методов прогнозирования и стратегического анализа для исследования рынка образовательных услугТигунцев Владимир Михайлович

   

   Методы численного анализа и прогнозирования рисков в задачах ресурсного управленияФролов Алексей Геннадьевич

   

   Исследование методов трансформации, анализа и прогнозирования технологической информации, собираемой информационными системами тепловых электрических станцийСоломаха, Илья Викторович

   

   Разработка систем диагностики, дифференциальной диагностики и прогнозирования заболеваний методами многомерного статистического анализаТатаринцев Павел Борисович

   

   Метод и средства интеллектуальной поддержки принятия решений на основе взаимного спектрального анализа системных ритмов при прогнозировании риска атеросклерозаАль-Муаалеми Ваил Абдулкарим Ахмед

   

   Анализ состояния, прогнозирование и рациональное жизнеобеспечение в территориально распределенной системе региона на основе экономических показателей и эколого-информационного мониторингаКуприенко Павел Сергеевич