Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Оценка несущей способности неоднородной тонкостенной конструкции при проектировании

Диссертация: Оценка несущей способности неоднородной тонкостенной конструкции при проектировании
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Научная новизна работы заключается в том, что выработанный и проверенный численно и экспериментально комбинированный поход определения критической нагрузки гладких и подкрепленных пластин с отверстием позволяет судить о степени влияния сквозных отверстий с произвольным расположением центра на несущую способность пластинки с отверстием. Указанный подход является полу аналитическим, так как… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ И МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ О НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НЕОДНОРОДНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
    • 1. 1. Обзор источников в области теоретического и экспериментального исследования несущей способности неоднородных тонкостенных конструкций
    • 1. 2. Энергетический метод исследования устойчивости тонкостенных конструкций
    • 1. 3. Численные методы решения задачи о несущей способности тонкостенных конструкций
  • Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ НЕОДНОРОДНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
    • 2. 1. Применение энергетического метода к задаче устойчивости прямоугольной пластинки с отверстием
    • 2. 2. Устойчивость подкрепленной прямоугольной пластинки с отверстием
    • 2. 3. Устойчивость гладкой прямоугольной пластинки с окантованным отверстием
  • Глава 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НЕОДНОРОДНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (МКЭ)
    • 3. 1. Решения задачи устойчивости с помощью МКЭ
    • 3. 2. Результаты решения задачи устойчивости неоднородных тонкостенных пластинок с помощью МКЭ и сопоставление результатов с теоретическими
  • Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НЕОДНОРОДНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
    • 4. 1. Цель и объекты исследования
    • 4. 2. Экспериментальная установка для исследования несущей способности образцов неоднородных тонкостенных конструкций JIA
    • 4. 3. Методика проведения экспериментального исследования несущей способности образцов неоднородных тонкостенных конструкций JIA
    • 4. 4. Результаты экспериментального исследования и сопоставление результатов с теоретическим исследованием
  • Глава 5. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА БАЗЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ УСТОЙЧИВОСТИ
    • 5. 1. Постановка задачи рационального проектирования тонкостенных конструкций ЛА
    • 5. 2. Рациональный выбор толщины гладкой пластинки с отверстием из условия равноустойчивости
    • 5. 3. Рациональный выбор параметров подкрепленных пластинок
    • 5. 4. Рациональный выбор геометрических характеристик гладкой прямоугольной пластинки с окантованным отверстием

Оценка несущей способности неоднородной тонкостенной конструкции при проектировании (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Тонкостенные конструкции находят широкое применение в авиации, судостроении, ракетной технике, строительстве и многих других областях машиностроения. Среди тонкостенных конструкций, применяемых в конструкциях JIA, часто встречаются пластинки прямоугольной формы (крыло, оперение), ослабленные одним либо несколькими вырезами или подкрепленные силовым элементом (ребрами жесткости). Кроме того, в процессе эксплуатации эти конструкции могут получать различного рода повреждения. Поэтому необходимо учитывать и оценивать степень влияния сквозных отверстий на их прочность и несущую способность при проектировании и эксплуатации. Обеспечение устойчивости равновесия и несущей способности этих конструкций является одной из важнейших задач, решаемых при проектировании ЛА [40], [42], [43], [45].

В открытой литературе, задачам прочности, устойчивости и колебаний сплошных тонкостенных конструкций посвящено значительное число публикаций, из которых можно отметить работы С. П. Тимошенко, В. В. Болотина, А. С. Вольмира Э. И. Григолюка и др.

К настоящему времени, задачи прочности и жесткости конструкций, ослабленных вырезами, в том числе и пластинок с вырезами, изучено достаточно подробно и освещено в монографиях и работах Г. Н. Савина, А. Н. Гузя, Э. И. Григолюка, JI. А. Фильштинского, Г. А. Вершинина и др. В то же время решение задач устойчивости этих конструкций еще в значительной мере отстает от потребностей практики [40].

Под неоднородностью конструкции в данной работе подразумевается наличие конструктивного выреза или подкрепляющего элемента (ребер жесткости).

На основе энергетического критерия Тимошенко и Брайена решена задача определения критической нагрузки гладкой пластинки с произвольным расположением центра отверстия. Полученный алгоритм определения критической нагрузки для данного типа пластинок имеет большую практическую значимость, так как он позволяет оценить степень влияния выреза на несущую способность конструкции, на основе которого выработать рекомендации для его последующей компенсации.

Достаточная часть работы посвящена исследованию устойчивости пластинки, подкрепленной силовым элементом и имеющей произвольно расположенное отверстие. Поскольку такие конструкции широко применяются в летательных аппаратах благодаря их сравнительно высокой несущей способности в сравнении с гладкими пластинками при одинаковой массе. Для аналитического получения решения задачи устойчивости вновь воспользуется энергетическим методом. Однако, обычные формы записи энергетического критерия устойчивости, на основе которых получен параметр критической нагрузки для подкрепленных пластинок, недостаточно эффективны для решения таких задач. В данной части работы, полученные результаты аналитическим путем проверены численным методом с последующим подтверждением экспериментом.

Следующей проблемой, возникающей при проектировании пластинок с отверстием и рассматриваемой в работе, является проблема компенсации ослабления отверстия. На основе исследования несущей способности пластинки с окантованным отверстием необходимо выработать рекомендации для? последующей компенсации и рационального выбора параметров окантовки.

В работе также на основе полученных результатов при теоретическом, численном и экспериментальном исследованиях для рассматриваемых пластинок разработан алгоритм по рациональному проектированию данных конструкций из условия равноустойчивости и минимальной массы.

Целью диссертации являются:

1. определение несущей способности гладкой прямоугольной пластинки с отверстием при произвольном расположении центра отверстия и действии сжимающих нагрузок;

2. определение несущей способности подкрепленной равномерно расположенными продольными ребрами пластинки с произвольным расположением центра отверстия при действии сжимающих нагрузок;

3. определение несущей способности гладкой прямоугольной пластин с окантованным отверстием при действии сжимающих нагрузок;

4. анализ и оценка степени влияния отверстия на несущую способность пластинки с отверстием;

5. анализ и оценка влияния различных конструктивных параметров (отверстия, подкрепляющего элемента, окантовки) на несущую способность рассматриваемых пластинок;

6. численное исследование несущей способности прямоугольных пластинок различных типов (целых, с отверстием, гладких и подкрепленных) при действии сжимающих нагрузок и сопоставление полученных результатов с теоретическими данными;

7. экспериментальное исследование несущей способности прямоугольных пластин различных конфигураций (целых, с отверстием, гладких и подкрепленных) при продольном сжатии с целью проверки состоятельности разработанного алгоритма по определению их несущей способности;

8. разработка на основе проведенных экспериментально-теоретического и численного исследований несущей способности рассматриваемых конструкций алгоритма по их рациональному проектированию.

В данной работе применяются теоретический, численный и экспериментальный методы исследования.

Методика теоретического решения базируется на вариационной постановке задачи с использованием энергетического метода. На основе методов Ритца-Тимошенко и Брайена, из условия экстремальности полученного функционала в критическом состоянии определяются значения критических нагрузок для рассматриваемой задачи.

Численный метод, основанный на методе конечных элементов (МКЭ) применяется для проверки состоятельности матмоделей, использованных при расчете аналитическим методом. Для проведения требуемых расчетов, в данной диссертации применена известная программа NASTRAN, которая, на сегодняшний день является наиболее широко используемой в мире программой конечно-элементного анализа.

Экспериментальное исследование по определению несущей способности гладких и подкрепленных пластинок с вырезом проводится на специальной установке, позволяющей проводить испытания неоднородных конструкций при комплексном погружении.

Научная новизна работы заключается в том, что выработанный и проверенный численно и экспериментально комбинированный поход определения критической нагрузки гладких и подкрепленных пластин с отверстием позволяет судить о степени влияния сквозных отверстий с произвольным расположением центра на несущую способность пластинки с отверстием. Указанный подход является полу аналитическим, так как отдельная часть базовых решений представлена в двойных квадратурах, которые требуют численного решения. Такой полуаналитический подход, в отличие от численных методов решения I позволяет судить о степени влияния того или иного параметра на конечный результат еще на начальных стадиях расчета, что значительно сократит трудоемкость и повысит результативность проектировочного и поверочных расчетов. Новизна работы заключается также в создании алгоритмов расчета и выбора рациональных параметров, а также в получении экспериментальных данных по определению несущей способности пластинок.

Практическая ценность работы заключается в разработке матмодели определения критической нагрузки гладких и подкрепленных пластин с отверстием и разработка на основе этой модели алгоритма рационального выбора их конструктивных параметров с произвольным расположением центра выреза. Полученный алгоритм действенен для любых пластинок и ребер, составленных из прямолинейных элементов, и для любого шага равноотстоящих ребер из одинаковых или разных материалов.

Основные положения и результаты работы докладывались на IX международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Ярополец, 2003) — Международной конференции и выставки «Авиация и космонавтика — 2003» (Москва -2003) — на X международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Ярополец, 2004) — на заседаниях научно-технического совета каф.602.

По теме диссертации опубликовано шесть работ в двух статьях в журналах «Авиационная техника» и «Полет» — Издательство «Машиностроение» и четырех публикациях в форме тезисов к докладам.

Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Работа содержит 119 страниц.

Список использованных источников

включает 67 наименований.

Основные результаты диссертации опубликованы в шести статьях и доложены на научно-технических международных конференциях. На основе полученных результатов разработан программно-методический комплекс, с помощью которого позволяет проводить проектировочный расчет неоднородных тонкостенных конструкций по вышеизложенной методике в диалоговом режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А.С., Фигуровскии В. И., Расчет на прочность летательных аппаратов. М.: Машиностроение 1985.440 с.
  2. .М., Новиков В. Н., Вейтин В. Е., Основы устройства и конструирования летательных аппаратов.- М.: Машиностроение 1991,367 с.
  3. В. Д., Логинов О. Н., Экспериментальное исследование устойчивости панелей с отверстием//Прикл. Механика, 1978, 14, № 12, с.118−121.
  4. Н. А., Балабух Л. И., О возможности решения задач устойчивости пластин без предварительного определения начального напряженного состояния //ПММ. 1967.Т.31. Вып.4. С.716−722.
  5. Н. А., Балабух Л. И. Энергетический критерий устойчивости упругих тел, не требующий определения начального напряженно-деформированного состояния//ПММ. 1968.Т.32. Вып.4. С.703−707.
  6. А.И., Рябченко В. М., Некоторые вопросы весовой оптимизации панелей тонкостенных силовых конструкций. В сб. Прочность и устойчивость конструкций ЛА, ХАИ, Харьков, 1973.
  7. А. О граничных условиях при расчете на устойчивость упругих прямоугольных пластин методом конечных разностей//ДАН УзССР, 1962, № 6, с. 11−15.
  8. А. Об устойчивости прямоугольных пластин//Изв. АН УзССР. Сер. техн. наук, 1962, № 1, с. 38−50.
  9. Г. Ш., Преображенский И. Н. Устойчивость прямоугольных пластинок с отверстиями произвольной формы //Краткие тез. докл. к конф. по применению ЭЦВМ в строит, механике. Секция 4, Л.: Ленингр. стан-костроит. техн., 1971, с. 11−12.
  10. П. М. Устойчивость квадратной пластинки//Сб. труд. Киев, инж.-строит. ин-та, 1945, № 7, с. 21−28.
  11. А.С., Устойчивость деформируемых систем. М.: Наука, 1967, 984 с.
  12. Е. А., Преображенский И. Н. Исследование устойчивости круговых цилиндрических панелей, ослабленных отверстиями//Тезисы докл. на пятой всесоюз. конф. по пробл. устойчивости в строит. Механике.- М.: 1977, с. 74.
  13. Н. Л., Преображенский И. Н. Обзор исследований по устойчивости пластинок и оболочек, ослабленных отверстиями. Расчет пространств, конструкций, 1973. вып. 15. с. 89 -112.
  14. И.С., Самарин А. В., Проектирование конструкций летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1991.
  15. Э. И., Кулаков Н. А. Устойчивость пластины с отверстием. Докл. АН СССР, 1975,224, № 4, с. 790−793.
  16. Э. И., Кулаков Н. А. Устойчивость пластины с отверстием. Расчет пространств, конструкций, 1977, вып. 17, с. 108−112.
  17. М. Ш. Об устойчивости тонкой растянутой пластины с трещиной. Прикл. механика, 1978. 14, .№ 11, с. 59−64.
  18. Н. К. Выпучивание неограниченной тонкой пластинки с круговым отверстием при двухосном растяжении. Прикл. механика, 1977, 13, № 12, с. 124−127.
  19. Н. К., Кулиев Г. Г. Выпучивание растянутой тонкой пластинки с криволинейным отверстием. В кн.: пятая всесоюз. конф. по пробл. устойчивости в строит, механике: Тез. докл. М.: 1977, с. 53−54.
  20. О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541 с.
  21. В.А. Проектирование оптимальных конструкций. М.: Изд-во МАИ, 1984, 27 с.
  22. Н.В., Метод конечных элементов в применении к исследованию устойчивости ребристых цилиндрических оболочек// Прикладная механика, 1976, Т. XII, № 3. с. 28 33.
  23. В. Я., Паутов А. Н. Исследование устойчивости пластин с подкрепленными краями отверстий методом конечных элементов. Горький, Горьков. ун-т, 1978, 15 с. Деп. в ВИНИТИ, № 442−78 Деп.
  24. В.И., Туркин И. К., Расчет элементов деформируемых конструкций. М.: Издательство МАИ, 2002,399 с.
  25. JI. М., Матвеев К. А., Применение энергетического метода к задачам устойчивости пластин с отверстием. Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1974, № 6, с. 114−119.
  26. Л. М., Матвеев К. А. К решению задач устойчивости пластин с отверстием. Динамика и прочность конструкций, 1975, № 2, с. 3−19.
  27. А.В., Приближенный метод анализа веса конструкций панелей и цилиндрических оболочек// Труды ЦАГИ, 1967, в. 1045.
  28. В.Л., Устойчивость односвязных прямоугольных пластин сжатых произвольной нагрузкой. Изв. АН АрмССР. Механика, 1971, 24, с.52−60.
  29. В.Т., Пяткин В. А., Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение 1985,344 с.
  30. В. И., Устойчивость пластин со ступенчато меняющейся жесткостью при неравномерном поле напряжений. В кн.: Исследования по строит, конструкциям и строит, механике. Томск: Томск, ун-т. 1976, с. 71−74.
  31. В.Г., Экспериментальное исследование устойчивости пластин с вырезами//Труды горьковского политехнического ин-та им. А.А., Жданова. Горький, 1970.Т.26, № 11, с. 43 47.
  32. С.М., Сидорова Н. И., Экспериментальное исследование устойчивости панелей с неподкрепленным вырезом .//Труды ЦАГИ, 1981. Вып. 2164. с. 79−82.
  33. С.Г., Туркин И. К., Методы и средства динамических испытаний конструкций летательных аппаратов. Учебное пособие.- М.: Изд-во МАИ, 2001.
  34. В. 3., Перлин П. И., Методы математической теории упругости. М.: Наука, 1981,688 с.
  35. В. А., Хархурим И. Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Д.: Судостроение. 1974,342 с.
  36. И. Н., Устойчивость и колебания тонкостенных конструкций с отверстиями. Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1972, № 2, с. 190.
  37. И. Н., Устойчивость прямоугольных пластинок с круговыми отверстиями. В кн. четвертая всесоюз. конф. по проблемам устойчивости в строит, механике: Тез. докл. М., 1972, с. 65−67.
  38. И. Н., Устойчивость ортотропных пластинок с отверстиями. Исследование прочности, вибрации и конструкции деталей двигателей летательных аппаратов, 1974, вып. 289, с. 37−46.
  39. И.Н., Устойчивость и колебания пластинок и оболочек с отверстиями.- М.: Машиностроение, 1981. — 191 с.
  40. И. А., Напряженное состояние и устойчивость прямоугольной пластины с вырезом. В кн. Труды Николаев, кораблестроит. ин-та: Материалы научно-техн. конф., 1967. Николаев, 1969, с. 11−13.
  41. В. С., Туркин И. К. Исследование устойчивости трехслойных пластин с отверстием при действии осевого сжатия // МТТ. 1998. № 2. с. 175−182.
  42. B.C., Туркин И. К., Чан Ба Тан. Об устойчивости неоднородной прямоугольной пластины при осевом сжатии//Авиационная техника № 4. Казань-2003 г.
  43. B.C., Туркин И. К., Чан Ба Тан. Влияние компенсации отверстия на устойчивость пластины//Журнал «Полет» № 4. Изд-во Машиностроение М.: 2004 г.
  44. Е. М., Устойчивость весомой пластины с отверстием. Тр. НИИ математики Воронеж, ун-та, 1974, вып. 16, с. 52−56.
  45. В. Ф. Некоторые задачи расчета на устойчивость и определение веса авиационных конструкций// Труды ЦАГИ, 1962, в.846
  46. В.Ф., Оптимизация и весовой анализ некоторых самолетных конструкций//Труды ЦАГИ, 1970, в. 1262
  47. В.Ф., Выбор оптимальных панелей, жесткости и веса крыла.// Труды ЦАГИ, 1975. Вып. 1682. с. 5−15.
  48. З.М., Оптимизация авиационных конструкций на несколько случаев нагружения с применением МКЭ с учетом потери устойчивости сжатых панелей.// Труды ЦАГИ, 1976. Вып. 1783. с. 3−15
  49. Тер-Эммануильян Н. Я. Устойчивость ортотропной гибкой квадратной пластинки с квадратным отверстием. Механика полимеров, 1971, № 3, с. 482−488.
  50. С. П. Устойчивость стержней, пластин и оболочек. М.: Наука, 1971, 567 с.
  51. И.К. Проектирование тонкостенных конструкций летательных аппаратов, функциональных в экстремальных условиях. М.: Изд-во МАИ, 2000.
  52. Г. П. О выпучивании мембран с отверстиями при растяжении. Прикл. математика и механика, 1973,27, с. 275−286.
  53. Д.Г., Расчет конструкций в MSC/NASTRAN. М.: ДМК Пресс, 2003.-447 с.
  54. Ф.Р. Анализ веса и прочности самолетных конструкций. М.: Оборонгиз, 1967.
  55. Ф.Г., Аналитическое проектирование оптимальных панелей/Самолетостроение и техника воздушного флота, Харьков, 1973, в. 31, с. 52 61.
  56. Grosskurth J. F., White R. N., Gallagher R. H. Shear buckling of square perforated plates. J. Eng. Mech. Div. Proc. Amer. Soc. Civ Eng., 1976, № 6, p. 1025−1040.
  57. Heinze K., Smith J., Buckling and post-buckling behaviour of plates with holes. Aeronaut. Quart., 1975, № 4, p. 281−296.
  58. Kroll W. D. Instability in shear of simply supported square plates with reinforced hole. Research National Bureau Standards, 1969, 43, N 5, p. 341 347.
  59. Kumai T. Elastic stability of the square plate with a central circular hole under edge thrust. In: Proc. First Japan National Congress Appl. Mech., 1971, p. 81−86.
  60. Pellett D. A., Costello R. G., Brock J. E. Buckling of a tension panel containing a circular hole. AJAA Journal, 1968, № 10, p. 2012−2014.
  61. Rao J. C., Pickell G. Vibration of plates of irregular shapes and plates with holes. J. Aeronaut. Soc. India, 1971, № 3, p. 83−88.
  62. Rockey К. C., Andersen R. G. Cheung Y. K. The behavior of square shear webs having a circular hole: Thin Walled Stell Structures. London, Gordon and Breach, 1968, p.48−172.
  63. Schlack A. L. Elastic stability of pierced square plates. Exp. Mech., 1964, № 6, p. 167−172.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!