Проектирование рациональных трубчатых стержневых конструкций из полимерных композиционных материалов с учетом конструктивно-технологических особенностей соединений

Объект исследований.

В настоящее время конструкции из полимерных композиционных материалов (ПКМ) нашли широкое и стабильное применение в различных отраслях техники: гражданской и военной авиации, космической и ядерной технике, судостроении, автомобилестроении, промышленном строительстве и др. [2, 29, 30,32,49,73,94−96].

Полимерный композиционный материал — это неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы (наполнитель), обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и полимерную матрицу (связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.

ПКМ обладают высокими удельными физико-механическими характеристиками и рядом других свойств и особенностей, благодаря которым они успешно конкурируют с традиционными конструкционными материалами: металлами и их сплавами. Одной такой особенностью для ПКМ является возможность при проектировании конструкции управлять их физико-механическими свойствами в различных направлениях, что позволяет максимально реализовы-вать заложенный в материале потенциал.

Наиболее значительные достижения по использованию ПКМ получены в авиационной и космической технике, где требуются конструкции, обладающие минимальной массой (при заданной нагрузке). Объем применения ПКМ в конструкции военных самолетов в США вырос от 0,8% массы конструкции в самолете Р-14 (1969 г.) до 26% в самолете А/'-8 В (1982 г.). По прогнозам, объем ПКМ в конструкции пассажирских самолетов в начале XXI века может достигать 65% [2].

К числу наиболее распространенных конструкций из ПКМ относятся трубчатые стержневые конструкции, работающие на растяжение и сжатие, которые являются объектом исследования в данной работе.

Трубчатая стержневая конструкция (ТСК) представляет собой регулярную часть в виде тонкостенной трубы из ПКМ или металла постоянного кольцевого поперечного сечения по длине и присоединенными к ней по обоим торцам металлическими законцовками (рис. 1).

Трубчатая стержневая конструкция.

МЕТАУ1У1 ИЧЕСКАЯ ЗАКОНЦОВКА.

ТРУБА ИЗ ПКМ.

МЕТА/1/1 ИЧЕСКАЯ.

Рис. 1.

Назначение ТСК заключается в том, чтобы воспринимать осевую нагрузку Р по длине Ь и передавать эту нагрузку на присоединенные к ТСК детали или агрегаты.

Регулярная часть ТСК находится в условиях одноосного растяжения или сжатия (см. рис. 1), а именно в подобных конструкциях наиболее высоко проявляется эффективность применения ПКМ, поэтому практически с самого начала использования ПКМ в технике их стали применять в ТСК как в нашей стране, так и за рубежом.

На рис. 2 представлены примеры использования ТСК в авиационной и космической технике [21, 29, 30, 32,49, 54, 64, 73, 78, 94−96]:

— силовые элементы каркаса фюзеляжа самолета: стойки, распорки, раскосы, подкосыА 1 L.

— ферменные элементы лонжеронов и нервюр в крыльях с большой строительной высотой;

— тяги жесткой проводки управления летательного аппарата;

— стержневые элементы ферменного шасси легкого самолета;

— силовые элементы корпуса ракеты;

— ферменные конструкции в космических аппаратах: ферменная платформа, ферменный каркас солнечной батареи, трубчатые стержневые элементы космического радиотелескопа.

Применение ТСК в авиационной и космической технике.

СИЛОВЫЕ стойки. РАСПОРКИ. РАСКОСЫ. ПОДКОСЫ ФЮЙЕЛЯЖА САМОЛЕТА тяги ЖЕСТКОЙ ПРОВОДКИ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА.

СТЕРЖНЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ФЕРМЕННОГО ШАССИ /.

ЛЕГКОГО САМОЛЕТА |СЛ.

ФЕРМЕННЫЕ ЛОНЖЕРОНЫ И НЕРВЮРЫ В КРЫЛЬЯХ С БОЛЬШОЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ ВЫСОТОЙ.

СИЛОВАЯ ФЕРМА Ш1РЕХ0ДН0Г0 ОТСЕКА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ.

ФЕРМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ В КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ.

ФЕРМЕННАЯ ПЛАТФОРМА.

ФЕРМЕШ1ЫЙ КАРКАС СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ.

ТРУБЧАТЫЕ СТЕРЖНЕВЫЕ &-ЛЕМЕНТЫ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОТЕЛЕСКОПА, А в табл. 1 приведены основные параметры, характеризующие ТСК из ПКМ и металлов, и принятые в работе диапазоны их значений.

Таблица 1.

Основные параметры ТСК из ПКМ и металлов и диапазоны их значений Параметр Значение.

Нагрузка Р, Н 1000 — 500 000.

Длина Ь, мм 500 — 2000.

Диаметр трубы Вт, мм 15 — 150.

Толщина стенки трубы 5 т, мм 0,5 — 10,0.

Отношение Вт/5т 15 — 150.

ПКМ: углепластик, стеклопластик, органопластик.

Материал трубы.

Металл: сплавы алюминия, титана, сталь Материал законцовки Металл: сплавы алюминия, титана, сталь.

Актуальность работы.

Внедрение ПКМ в детали и агрегаты авиационной и космической техники позволяет решать одну из важнейших задач в этой области — снижение массы летательного аппарата с целью улучшения его летно-технических характеристик, например, увеличение доли полезной нагрузки, увеличение дальности полета, уменьшение количества топлива и др. В связи с этим необходимо продолжать исследования в области создания конструкций из ПКМ.

В существующих методиках проектирования ТСК из ПКМ главное внимание уделяется расчету параметров регулярной части, т.к. считается, что она составляет основную часть конструкции по отношению к законцовкам.

Сравнение удельной прочности и жесткости между ПКМ и металлическими сплавами показывает, что теоретически масса конструкции из ПКМ должна быть меньше аналогичной конструкции из металла в 2−3 раза [13, 21, 27, 30″ .

На практике применение ПКМ в ТСК позволяет получить выигрыш в массе конструкции значительно ниже теоретического: 20 — 40% [64, 94−96].

Несоответствие между теоретической и практической эффективностью применения ПКМ в ТСК вызвано наличием в конструкции металлических за-концовок. Снижение массы ТСК идет только за счет замены металла на ПКМ в регулярной части, в то время как законцовки остаются выполненными из металла. Чем выше доля металлических законцовок в ТСК, тем меньше эффект от внедрения ПКМ.

Соотношение массы законцовок и регулярной части ТСК зависит от заданной нагрузки, используемых материалов, а также от конструктивно-технологических особенностей соединения типовых законцовок с регулярной частью.

Таким образом, для проектирования ТСК из ПКМ минимальной массы является актуальным создание методики, учитывающей влияние конструктивно-технологических особенностей металлических законцовок на проектируемые параметры ТСК.

Цель работы.

Целью работы является создание методов проектирования ТСК из ПКМ минимальной массы.

Для достижения заданной цели решались следующие задачи работы:

— создание методики проектирования рациональных ТСК из ПКМ с учетом конструктивно-технологических особенностей соединений типовых законцовок с регулярной частью;

— разработка алгоритмов и программ для проектирования ТСК из ПКМ с использованием электронно-вычислительных машин (ЭВМ);

— проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ в области проектирования, расчета и изготовления ТСК из ПКМ;

— сравнение рациональных ТСК из ПКМ с ТСК из металлов и определение области целесообразного применения ПКМ.

Достоверность и обоснованность работы.

Исследования вопросов проектирования ТСК из ПКМ, проведенные в работе, базируются на большом объеме информации в на) Д1но-технической литературе, авторами которой являются как отечественные, так и зарубежные исследователи.

Теория упругости слоистого анизотропного тела, критерии прочности ПКМ, основы расчетов, проектирования и технологии изготовления элементов конструкций из ПКМ и их соединений, методы испытаний слоистых пластиков (исследование механических, физических, тепловых, электрических, химических свойств), вопросы устойчивости стержня и цилиндрической оболочки при действии сжимающей осевой нагрузки рассмотрены в работах таких известных ученых как Ал футов H.A. [3, 4, 27], Андриенко В. М. [5, 6], Бажанов В. Л. [7], Васильев В. В. [13, 27, 47, 48], Воробей В. В. [15], Гайдачук В. Е. [44, 53, 59], Зиновьев П. А. [4, 27], Иерусалимский K.M. [5], Карпов Я. С. [44, 53, 55, 59], Мал-мейстер А.К. [39, 40], Молодцов Г. А. [84], Образцов И. Ф. [47], Работнов Ю. Н. [63], Сироткин O.e. [15], Тарнопольский Ю. М. [27, 77, 78], Тетере Г. А. [39, 40, 79], Тимошенко СП. [80, 81], Усюкин В. И. [82], Царахов Ю. С. [89, 90], а также Браутман Л., Крок П., Хилл Р., Хоффман О., Чамис К. [28−32, 46, 72, 73] и др.

Влияние углов армирования на несущую способность стержней, а также явление продольного растрескивания сжимаемых стержней исследовали Данилова И. Н. [19], Хитров В. В., Катаржнов Ю. И., Тарнопольский Ю. М. [77, 78, 86, 87], Смердов A.A. [70-.

В вышеуказанных работах подробно изучены основные формы потери не-суш-ей способности регулярной части (трубы) ТСК:

— исчерпание прочности материала трубы;

— общая потеря устойчивости трубы;

— местная потеря устойчивости трубы;

— продольное растрескивание трубы по форме «китайского фонарика» .

Разработаны методики расчета прочностных и упругих характеристик многослойных ПКМ [4, 6, 27,47].

Методики определения оптимальных параметров сжимаемых трубчатых стержней и оболочек из ПКМ изложены в работах Рикардса Р. Б. [8, 51, 65−67], Возяковой Л. С. [64], Годеса Я Ю. [16], Карпова Я. С. [55], Кноелла А. [30], Малмейстера А. К. [39, 40], Мааса Д. П. [38], Штеффлера Г. [94], Щербакова В. Т. [95, 96], из металлов — в работах Астахова М. Ф. [71], Киселева В. А. [24], Шэн-лиФ.Р. 93].

В данных методиках практически не рассматриваются вопросы проектирования регулярной части с учетом накладываемых на ее параметры конструктивно-технологических ограничений, а также влияние особенностей соединений типовых законцовок.

В области проектирования, расчета и испытания соединений в конструкциях из ПКМ представлены работы Бокина М. Н. [12], Васильева В. В. [27, 48], Воробей В. В. и Сироткина О. С. [15], Зайцева Г. П. [22], Карпиноса Д. М. [23], Гайдачука В. Е., Карпова Я. С. и Щербакова В. Т. [33, 53, 55, 59, 95, 96], Кузнецова В. М., [34], ПелехаБ. Л. [50], Попова Ю. И. и Резниченко В. И. [52], Степа-нычеваЕ.И. [75], Фрейдина A.C. [83], Хрулева В. М. [88], Царахова Ю. С. [89, 90].

Проектирование элементов соединений конструкций из металлов рассмотрены Биргером И. А. [11], Житомирским Т. Н. [21], Лещиным A.B. и Поповым Ю. И [36], Ендогуром А. И, [54], Захаровым В. А. [56], Пановко Я. Г. [60−62], Рудициным М. Н. [68], Тимошенко СП. [80, 81].

В каждой из вышеперечисленных работ приводятся методики проектирования отдельных элементов законцовки: проушины, фланца, зоны соединения законцовки с регулярной частью. Методика же «целостного» проектирования всей законцовки отсутствует. Также не выявлена взаимосвязь между параметрами регулярной части и законцовки.

Классификация соединений в конструкциях из ПКМ приводится в работах Воробей В. В. и Сироткина О С. [15], Царахова Ю. С. [89, 90].

Классификация типовых зон соединения законцовок с регулярной частью приводится в работах Карпова Я. С. [33, 55].

Конструктивные особенности других элементов законцовок: типы фланцев, исполнение наконечника законцовки, исполнение проушины и т. д. не систематизированы. Также не выявлен количественный параметр, который определял бы зависимость массы законцовки от ее конструктивно-технологических особенностей.

Таким образом, наукой накоплена обширная информация в области расчета, проектирования и изготовления ТСК из ПКМ, которая, однако, является разрозненной, находится в различных источниках и не позволяет проводить комплексное проектирование конструкции с учетом взаимного влияния составляющих ее элементов: регулярной части и законцовок, что в конечном итоге снижает лгачес/иво разработки, увеличивает время и трудоемкость щооктщю-вания. Немаловажной также является задача реализации имеющихся методов проектирования ТСК в виде программных средств, работающих на ЭВМ.

На защиту выносятся.

Автор защищает следующие основные положения работы:

1. Методика проектирования ТСК из ПКМ с учетом влияния конструктивно-технологических особенностей соединений типовых законцовок с регулярной частью на проектируемые параметры ТСК.

2. Методика определения рациональных параметров регулярной части ТСК из ПКМ с учетом конструктивно-технологических ограничений, накладываемых на параметры регулярной части.

3. Методика определения массы типовых законцовок в зависимости от параметров регулярной части ТСК.

4. Классификация типовых законцовок ТСК из ПКМ.

5. Алгоритмы и программы для проектировочных расчетов параметров ТСК из ПКМ на ЭВМ.

Основные результаты докладывались и обсуждались:

— на Международном семинаре-выставке (г. Киев, Украина) в 1999 г.;

— на заседании НТС кафедры проектирования самолетов Московского государственного авиационного института в 1999 г.;

— на заседании НТС отделения по композиционным материалам ФГУП ОНПП «Технология» в 1999 г.

Публикации.

Основные материалы опубликованы в следующих работах:

1. Половый А. О., Ендогур А. И. Проектирование трубчатых стержневых конструкций из полимерных композиционных материалов с учетом конструктивно-технологических особенностей // Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении: Тезисы докладов Международного семинара-выставки 20−23 апр. 1999. — Киев: ATM Украины, 1999. -С. 104- 105.

2. Создание основ проектирования и изготовления интегральных кессонов из полимерных композиционных материалов для перспективной авиационной техники: Отчет о НИР (промежуточный) / Обнинское научи, произв. предпр. (ОНПП) «Технология» — Руководитель Климакова Л. А. — 12−241 960 001- Гос. Per. № У82 699- Инв. № Г35 659. — Обнинск, 1996. — 126 с.

3. Исследование методов интеграции конструктивных элементов и агрегатов из полимерных композиционных материалов для перспективной авиационной техники: Отчет о НИР (заключительный) / Обнинское научи, произв. предпр. (ОНПП) «Технология» — Руководитель Климакова Л. А. — 12−240 970 001- Гос. Per. № У82 700- Инв. № Г35 660. — Обнинск, 1997. — 123 с.

4. Создание прецизионных конструкций из углепластиков для уникальных крупногабаритных изделий космического применения: Отчет о НИР (заключительный) / Обнинское научи, произв. предпр. (ОНПП) «Технология» — Руководитель Буш A.B. — 12−240 970 001- Гос. Per. № У82 701- Инв. № Г35 661. — Обнинск, 1997. — 191 с.