Введение к работе
Належная работа любой механической системы, в том числе и двигателя летательного аппарата (ДЛА), зависит от надежности Составляющих его элементов. К наиболее нагруженным системам ДЛА принадлежат трубопроводные коммуникации, подверженные в эксплуатации воздействию широкого спектра статических и динамических нагрузок высокого уровня.
Традиционные способы повышения работоспособности трубопроводов в ряде случаев не дают необходимого реєультата и заставляют обращаться к принципиально новым конструкторским решениям, одним из которых является обеспечение свободы перемещения коммуникации за счет использования гибких Есгавок, в качестве которых часто используются сильфснные компенсаторы. Их применение позволяет производить монтаж трубопроводов при значительных отклонениях от соосности посадочных мест, сохранить герметичность системы при перемещениях соединяемых агрегатов, предотвратить разрушение трубопроводов от температурного расширения, облегчить доступ к стыкуемым поверхностям, обеспечивая модульность конструкции.
Гибкость компенсатора обеспечивается применением гофрированной металлической оболочки (сильфона), которая в силу конструктивных особенностей, обладает малой осевой и изгибной жесткостью. Однако, это замечательное свойство имеет и побочный эффект. Из-за малой жесткости,'гофрированная.оболочка обладает низкими частотами собственных колебаний, которые лежат в диапазоне частот, возбуждаемых работающим двигателем. Очевидно, что существует вероятность возникновения резонансных колебаний компенсаторов, способных разрушить гофрированную оболочку. Однако, наличие резонанса не всегда приводит к образованию усталостной трещины и выходу компенсатора' из строя. Для этого в гофрированной оболочке должен возникнуть та-
кой уровень напряжений, который выше предела выносливости материала, из которого изготовлена оболочка. Поэтому, определение величин напряжений в компенсаторе при резонансных колебаниях является важной задачей.
Применяемые в настоящее время методы расчетов компенсаторов на колебания носят приближенный характер. Они основаны на замене гофрированной оболочки различного рода моделями - однородным прямолинейны/ стержнем, условно ортотропкой цилиндрической оболочкой, системой кольцевых пластин и т.д. Такой подход дает возможность определить собственные частоты, амплитуды колебаний, но не позволяет ответить на вопрос о величине напряжений в оболочке компенсатора. Кроме того, -решение задачи расчета амплитуд колебаний компенсатора при резонансе предполагает знание величины энергии, которую способна рассеять его гофрированная оболочка. Эта проблема ка сегодняшний день не решена, а связанные с нею работы крайне малочисленны и посвящены ее частным аспектам.
С учетом изложенного, в настоящей диссертации была поставлена и решена задача создания метода расчета свободных и вынужденных колебаний компенсаторов на основе теории оболочек, что позволило определить напряжения в гофрированной оболочке при колебаниях, и исследовались демпфирующие свойства гофрированных оболочек компенсаторов.
Актуальность проблемы послужила основанием для ее включения в планы работы ОНИЛ по гибким трубопроводам УМ (г.Уфа), утвержденные Минвузом и МАП СССР, УАО "Гидравлика" (г.Уфа) и КБ Химавтона-тики (г.Воронеж).
Цель работы. Разработка методов расчета свободных и вынужден- ных колзбашй сияьфот&и компенсаторов ДЛА и исследование демпфирующих свойств гофрированных оболочек компенсаторов.
'З
Основные задачи исследования.
-
Разработать на основе теории оболочек математическую модель процесса свободных колебаний сильфонных компенсаторов ДЛА.
-
Исслеловать закономерности рассеяния энергии колебаний гофрированными оболочками компенсаторов.
-
Разработать метод расчета амплитуд вынужденных колебаний и динамических напряжений в гофрированной оболочке компенсатора при кинематическом возбуждении.
-
Исследовать влияние способа заделки гофрированной оболочки в соединительную арматуру на динамические характеристики компенсатора.
Метод исследования: преимущественно теоретический с использованием данных экспериментов о демпфирующих свойствах гофрированных оболочек, с применением численных методов анализа и вычислительной техники.
Научная новизна.
-
На основе теории механических колебаний, метода конечных элементов (МКЭ) и общей теории оболочек разработана математическая модель процесса колебаний тонкостенной', с переменной вдоль меридиана толщиной, цилиндрической гофрированной оболочки компенсатора. Получены разрешающие дифференциальные уравнения первого порядка в частных производных для функций прогибов полугофра как конечного элемента (КЭ). Рассмотрены случаи деформации КЭ, характерные для осесимметричных (продольных) и кососимметричных (поперечных) колебаний. Определено влияние геометрических размероз оболочки и места ее заделки на частоты и формы собственных колебаний компенсатора.
-
Экспериментально изучены закономерности рассеяния энергии колебаний многослойными гофрированными оболочками компенсаторов при продольных и поперечных колебаниях. С использованием гипотез
о характере рассеяния энергии в материале при сложном напряженном состоянии.и данных экспериментальных исследований,предложена методика расчета логарифмических декрементов колебаний компенсатороз. Спроектирован компенсатор с улучшенными демпфирующими свойствами.' конструкция которого зацищеца патентом Российской Федерации.
3. Разработан метод расчета амплитуд колебаний и динамических напряжений в оболочке компенсатора при кинематическом возбуадении. Уточнены величины максимальных напряжений и место расположения' наиболее вероятного.разрушения гофрированной оболочки при продольных и поперечник колебаниях.
Практическая ценность и "реализация работа. На основе разработанных математической модели процесса свободных колебаний и метода расчета амплитуды вынувдекных колебаний сильфонного компенсатора при кинематическом возбуждении, воздана методика определения динамических напряжений, возникающих в его гофрированной оболочке при продольных и поперечных колебаниях, Методика реализована в виде программы, написанной на языке.Паскаль и предназначенной для использования на персональных компьютерах, совместимых с IBM PC. Программа позволяет получить данные с спектре частот собственник, колебаний, амплитуде вынужденных колебаний, уровне напряжений, долговечности и месте предполагаемого- разрушения гофрированной оболочки компенсатора. Расчетным путем возможна оценка влияния конструктивных параметров и места заделки гофрированной оболочки на прочность компенсатора.
Методика попользуется для обоснования прочности и долговечности, уменьшения объема испытаний при проектко-доводочных работах, а также в качестве элемента САГР "Компенсатор" на УАО "Гвд- раищса" (г.УиЗ).
На Гізіі^ту, р.нпооятсл:
'5
математическая модель продольных и поперечных колебаний сильфон-ного компенсатора;
метод расчета амплитуд вынужденных колебаний и динамических напряжений в гофрированной оболочке компенсатора при кинематическом возбуждении;
результаты исследования демпфирующих свойств гофрированной оболочки и влияния ее конструктивных параметров на уровень динамичес ких напряжений з компенсаторе при колебаниях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсухдались на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых (г.Люберцы, 1936 г.), III Всесоюзной конференции по проблемам двигателестроенкя (г.Москва, 1986 г.), XV конференции по вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем (г.Каменец-Подольский, 1989 г.) и XXIII Всесоюзном совещании по проблемам прочности двигателей (г.Москва, 1930 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 работ.
Обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основная часть диссертации излетана на 109 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 11 таблиц и библиографию из 89 наименований.
