Нестационарное деформирование слоистых оболочечных элементов авиационных конструкций сложной геометрии, предварительно нагруженных статической нагрузкой

Современные летательные аппараты (ЛА) характеризуются наличием в их конструкции большого количества элементов, которые при прочностном анализе можно отнести к классу пластин и оболочек. Причем высокие требования, предъявляемые к ЛА (минимизация веса, аэродинамические качества, прочность и надежность, теплозвукоизоляция, радиопрозрачность и др.), приводят к тому, что зачастую эти элементы имеют геометрическую форму неканонического очертания, их напряженно деформированноесостояние (ЦЦС), во время эксплуатации изделия, близко к предельному, а при изготовлении элементов все чаще применяются композитные материалы. Перечисленные характеристики дают основание классифицировать оболочечные конструкции, используемые при создании ЛА, как сложные структуры, проектный анализ которых даже при использовании вычислительной техники остается трудоемкой и нетривиальной задачей. Развитие численных методов расчета сложных структур позволило разработать расчетные модели, описывающие реальные условия эксплуатации и режимы работы ЛА. В результате появилась возможность сокращения объемов дорогостоящей экспериментальной отработки конструкции на стадии проектирования. Однако, тенденция к снижению степени риска постоянно заставляет уделять внимание совершенствованию методов расчета, более глубокой детализации расчетных схем, максимально полному учету специфики работы изделий в нормальных и экстремальных режимах. Как, например, отмечается академиком Г. П. Свищевым /119/, «чтобы решить проблему повышения надежности машин, нужно совершенствовать методы конструирования и расчетов.

Тонкостенные слоистые оболочечные элементы сложной геометрии, выполненные из традиционных и композитных материалов, широко используются при создании ЛА в качестве несущих и управляющих поверхностей, различных обтекателей, силовых и теплоизолирующих экранов, створок люков, панелей топливных баков, различных элементов остекления, двигателей и многих других агрегатов. В процессе эксплуатации они, как правило, подвергаются совместному воздействию статических и динамических нагрузок. Корректный учет влияния статических нагрузок на общее окончательное НДС конструкции и ее элементов возможен только при геометрически нелинейной формулировке задачи о нестационарном деформировании объекта исследований. Однако в настоящее время при их проектировании динамическое поведение конструкции оценивается исходя из принципа независимости статического и динамического нагружений. При этом не учитывается влияние предварительных статических нагрузок на картину динамического деформирования. Такой подход может привести в ряде случаев к существенным ошибкам в определении общего НДС конструкции. По мнению генерального конструктора, академика Г. В. Новожилова /85/ «.следует иметь в виду, что только 10% - ная погрешность в определении напряжений приводит почти к двойной погрешности в ресурсе». Поэтому задача определения динамической реакции предварительно статически напряженных и деформированных слоистых оболочек произвольной геометрии является актуальной, тем более, что бурное развитие механики пластин и оболочек, вычислительной техники и численных методов, подготовило все предпосылки для успешного разрешения этой проблемы.

Теории пластин и оболочек, насчитывающей более чем вековой период своего развития, посвящены десятки тысяч публикаций. Теории оболочек исторически предшествовала теория пластин. При этом использовались два основных метода вывода разрешающих уравнений. Первый из них был предложен Коши и Пуассоном, а второй Кирхгофом. Предложенный в конце прошлого века метод Кирхгофа, вносивший в теорию пластин полную физическую ясность, сразу завоевал общее признание и сохраняет его по настоящее время.

Большой вклад в развитие линейной теории оболочек, преобразование и упрощение ее уравнений внесли советские ученые.

A.И.Лурье /70/, В. З. Власов /22/, А. Л. Гольденвейзер /31/,.

B.В.Новожилов /84/. Основные принципы, заложенные этими учеными в линейную теорию, послужили базой для построения уточненных теорий, теорий анизотропных оболочек и нелинейных теорий оболочек.

Классическая теория изотропных оболочек получила дальнейшее развитие в исследованиях С. А. Амбарцумяна по теории анизотропных оболочек, результаты которых подробно изложены в /3−5/. В монографии /4/ кроме уравнений линейной теории, основанной на гипотезах Кирхгофа-Лява, приведены и уравнения различных уточненных теорий.

Наряду с линейными вариантами теории оболочек успешно развивается геометрически нелинейная теория. Интерес к ней обусловлен спецификой тонкостенных конструкций, в которых под действием нагрузок могут иметь место перемещения и деформации, не укладывающиеся в рамки линейных теорий, а так же тем, что корректный учет предварительного статического нагружения при решении задач динамики оболочек возможен только в такой постановке. В. В. Новожиловым дан общий подход к проблеме дефоршфования гибких тел /83/, послуживший толчком к интенсивному развитию геометрически нелинейных теорий оболочек. Детальная теоретическая разработка геометрически нелинейной теории началась с исследований Х. М. Муштари, который в своих работах построил общую нелинейную теорию, справедливую при произвольных изгибах срединной поверхности, провел качественное исследование напряженно деформированных состояний оболочки при малых деформациях и прозвольных перемещениях, построил строгую классификацию задач нелинейной теории оболочек. Геометрически нелинейная теория оболочек изложена в монографиях Х. М. Муштари и К. З. Галимова /77/, А. С. Вольмира /24/, К. З. Галимова /29/. Подробный обзор развития исследований по теории оболочек в нашей стране имеется в работах Н. А. Кильчевского /53/ и В. В. Новожилова /82/.

В работе Locke J. /131/ теоретически исследуются прямоугольные антисимметричные слоистые пластины, состоящие из чередующихся слоев, пересекающихся под различными углами. Определяется нелинейная реакция пластин при больших прогибах на совместную комбинацию статической, тепловой и акустической нагрузок. Решение базируется на теории Кирхгофа-Лява, нелинейных соотношениях Кармана между смещениями и деформациями и уравнениях движения записанных для функций напряжений и прогиба. При этом учитывается влияние предварительных прогиба, напряжений и акустического воздействия. Подход Бубнова-Галеркина используется для преобразования нелинейной системы уравнений в частных производных в обыкновенное нелинейное дифференциальное уравнение. На примере прямоугольной пластины показано, что предварительное статическое нагружение может оказывать существенное влияние на общее НДС конструкции.

Теория оболочек, основанная на гипотезах Кирхгофа-Лява, широко используется при расчетах динамического деформирования оболочек, но она не позволяет изучать коротковолновые переходные процессы, поскольку ее уравнения являются параболическими и их решение не является волновым. Однако, при некоторых ограничениях на длину волны X поперечного изгиба оболочки (/1г «I, где к — толщина), как показано Н.А.Киль-чевским /53/, Г. И. Петрашенем /106, 107/ и Л. И. Слепяном /121/, можно воспользоваться уравнениями этой теории при изучении колебательных процессов в тонкостенных оболочечных элементах конструкций, формы которых удовлетворяют данному ограничению. В этом случае для описания волновых процессов в срединной поверхности необходимо лишь учесть силы инерции, соответствующие перемещениям в том или ином направлении.

В работе БЫгакатиа К. /133/ анализируется динамическая реакция предварительно напряженной тонкой круговой цилиндрической оболочки конечной длины на местную нагрузку в виде сосредоточенной силы, перемещающейся с постоянной скоростью вдоль образующей. Исходным пунктом анализа является составление уравнений движения оболочки, в которых основными переменными являются перемещения точек срединной поверхности в. окружном и меридианальном направлении и прогиб указанной оболочки с включением начальных напряжений, а также членов, учитывающих инерцию элементов оболочки в радиальном направлении. Далее уравнения движения преобразуются к одному уравнению относительно радиального смещения для получения аналитических решений в явной форме двойных рядов Фурье для задач свободных и вынужденных колебаний тонкой цилиндрической оболочки. Отмечается большое влияние начальных напряжений на динамические перемещения и напряжения указанной оболочки.

В.Г.Богомолов /14/ приводит вывод динамических уравнений теории тонких оболочек, основанной на гипотезе Кирхгофа-Лява, для случая, когда рассматриваемая оболочка предварительно статически нагружена.

Модель Кирхгофа-Лява не учитывает деформации поперечного сдвига и поэтому не позволяет с достаточной точностью описать деформирование оболочек из композитных материалов, характеризующихся ярко выраженной анизотропией механических свойств и пониженной сдвиговой жесткостью. Для анизотропных оболочек область применимости модели, базирующейся на гипотезах Кирхгофа-Лява, как показали А. Н. Гузь /41/ и коллектив авторов под руководством Я. М. Григоренко /75/, существенно зависит от геометрии оболочки и параметров материала. Поэтому при описании деформирования анизотропных оболочек, а также при исследовании волновых процессов в изотропных оболочках широкое распространение получили различные модели типа Тимошенко, учитывающие деформацию поперечного сдвига и инерцию вращения и приводящие к системе уравнений гиперболического типа. Нелинейная теория оболочек, основанная на модели типа Тимошенко, получила развитие в работах Л. Я. Айнола /I/, А. Е. Богдановича /13/, К. З. Галимова /29/, В. Н. Паймушина /95−97, 102/, В. Е. Спиро /124/ и ряда других авторов.

В работах М. А. Ильгамова, В. А. Иванова и Б. В. Гулина /48−51/ рассматриваются вопросы устойчивости и динамических процессов в системе, состоящей из тонкостенной оболочки и содержащегося в ней сплошного упругого заполнителя. В качестве кинематической модели привлекаются модели как Кирхгофа-Лява так и Тимошенко. Исследуются собственные и вынужденные колебания системы, нестационарные процессы. Применяются аналитические и численные методы решения задач.

Сйопап Б. /127/ определял динамическую реакцию аксиально-напряженной ортотропной цилиндрической оболочки, подвергающейся воздействию импульса давления на внутренние стенки. Решение задачи достигалось на базе теории толстых оболочек при сохранении в дифференциальных уравнениях движения членов, учитывающих влияние деформации поперечного сдвига, инерцию вращения и вращательного движений. Смещения точек оболочки представлялись в рядах Фурье с разделением переменных координат и времени. По дочитывался динамический коэффициент (отношение максимального динамического кольцевого напряжения к статическому кольцевому напряжению) для различных значений осевой сжимающей силы. Отмечено, что увеличение статического предварительного нагружения приводит к росту динамического коэффициента.

При определении параметров неустановившегося движения оболочек в настоящее время наибольшее распространение получили теории, базирующиеся на кинематических гипотезах Тимошенко, Кирхгофа-Лява и безмоментная или мембранная теории. Эти теории значительно отличаются по своей математической сложности и степени точности, с которой они описывают реальное движение. Точность решений по той или иной модели корректно проверяется только сравнением с решением, полученным из уравнений теории упругости. Обстоятельные исследования по определению пределов применимости приближенных теорий и методов интегрирования уравнений проведены У. К. Нигулом /81/. Он рассматривал переходные динамические процессы деформирования осесимметричных оболочек и пластин в рамках линейной теории упругости. Автор показал, что в динамических задачах более предпочтительным является использование модели типа Тимошенко, а область применимости более простых теорий оценивается исходя из довольно жестких ограничений на геометрические размеры оболочки, граничные условия и характер нестационарной нагрузки.

Точность решений, полученных по классической и безмо-ментной теориям и по теории типа Тимошенко, сравнивалась с решением для уравнений теории упругости при определении динамической реакции цилиндрической оболочки конечной длины авторами Weingarten L. и Reismann Н. В своей работе /134/ они делают вывод о том, что модель Тимошенко точнее двух других описывает реальное движение. Несколько раньше аналогичный вывод сделали Reismann Н. и Pawlik Р. /132/ при численном исследовании по этим трем теориям динамической реакции цилиндрических оболочек.

Нельзя не отметить результаты, полученные А. В. Колодяжным и В. И. Севрюковым /56/. Они численно определяли параметры динамического поведения усеченных конических оболочек, свободно опертых по торцам, используя при этом подходы перечисленных теорий. Деформированное состояние оболочек исследовалось при нагружении внутренней поверхности равномерно распределенным давлением, а в качестве нестационарной нагрузки принималась сферическая ударная волна. Решение системы уравнений во всех трех подходах находилось с помощью явной трехслойной схемы, получаемой при замене производных первого и второго порядков по координате и времени их разностным представлением. Граничные условия, соответствующие уравнениям движения, аппроксимируются с помощью левых и правых разностей второго порядка точности. Авторами установлено, что для конических оболочек каждая из трех теорий характеризуется различной последовательностью собственных частот. Низшие частоты близки друг к другу. Высшие частотные спектры значительно отличаются для рассматриваемых моделей. Эти выводы хорошо согласуются с результатами Reismann Н. и Pawlik Р. /132/ для цилиндрических оболочек. Далее, Колодяжным A.B. и Севрюковым В. И. отмечается, что выбор более простой модели может привести в некоторых случаях к существенным погрешностям в оценке параметров динамического деформированного состояния оболочечных конструкций.

В последние десятилетия в конструкции IA широко используются наряду с композитными материалами и слоистые оболочечные элементы. Слоистые элементы конструкций, составленные из слоев с различными физико-механическими характеристиками, могут обладать уникальным набором свойств, таких как высокая удельная прочность и жесткость, звукои теплоизоляционные свойства, выносливость и т. д. Этим обусловлено особенно широкое их применение в такой передовой отрасли, как авиастроение, что потребовало развития эффективных методов их расчета. В связи с этим в последнее время особое значение для теории оболочек имела проблема построения уточненных вариантов теорий неоднородных оболочек, позволяющих учесть такие особенности слоистых композитных конструкций, как анизотропия, низкая сдвиговая жесткость. В этой области на сегодня достигнуты значительные успехи как в нашей стране, так и за рубежом, и исследования, посвященные разработке различных вариантов теории слоистых анизотропных оболочек и методов их расчета, достаточно полно освещались в обстоятельных обзорах /33, 45/, в которых отмечается существенный вклад С. А. Амбарцумяна, В. В. Болотина,.

Э.И.Григолюка, Я. М. Григоренко, Х. М. Муштари, Ю. Н. Новичкова, П. П. Чулкова и многих других авторов. Не останавливаясь на анализе всех известных вариантов теорий слоистых оболочек, следует указать, что в основу большинства из известных методик прочностного анализа слоистых оболочек и составленных из них конструкций, хорошо зарекомендовавших себя на практике, положены соотношения простейших вариантов теорий, базирующихся на моделях Кирхгофа-Лява и типа Тимошенко.

Следует отметить, что в задачах определения динамического поведения слоистых оболочек наиболее часто используются непрерывно-структурные теории неоднородных оболочек, где те или иные гипотезы привлекаются для всего пакета и поэтому порядок соответствующих систем уравнений не зависит от числа слоев. Очевидно, что для решения задач, связанных с определением интегральных характеристик оболочек, составленных из слоев с близкими физико-механическими свойствами, непрерывно-структурные теории, обеспечивая достаточную для практики точность, требуют меньших затрат по сравнению с дискретно-структурными теориями. Укажем также, что с точки зрения после дующей численной реализации возможность доведения до количественных результатов решений линейных и нелинейных динамических задач, основанных на системах уравнений, порядок которых зависит от числа слоев, все еще представляется проблематичной.

Так, в /55/ в рамках непрерывно-структурной теории рассматривается комбинированное нагружение оболочечных конструкций осе симметричными статическими и динамическими нагрузками. Оболочечная конструкция состоит из многослойных ортотропных оболочек вращения переменной толщины. Уравнения движения записываются с учетом инерции вращения. Численное интегрирование осуществляется по модифицированному методу сквозного счета Годунова с кусочно-линейным представлением величин внутри ячеек на каждом временном слое.

Задача исследования динамического поведения оболочечной конструкции, имеющей форму срединной поверхности или опорного контура неканонического очертания, является достаточно сложной и получение аналитического решения в этом случае представляется проблематичным. Поэтому в настоящее время при решении таких задач нашли широкое применение следующие численные методы: методы конечных элементов (МКЭ) и конечных разностей (МКР), метод Бубнова-Галеркина и другие вариационные методы.

С.Н.Бешенков и В. А. Толок /12/, рассматривая колебания пластины сложной формы, подкрепленной произвольно ориентированными ребрами жесткости, при нестационарном возбуждении ищут решение задачи МКЭ. Динамическое НДС определялось ими для двух вариантов: с учетом и без учета деформации срединной плоскости. Авторы указывают на возникающую во втором случае погрешность в определении прогибов и напряжений.

В работе /130/ исследовалось динамическое поведение упругих цилиндрических панелей со свободно опертыми прямоли-• нейными краями и стеснением деформаций на криволинейных сторонах при действии начальных статических и периодических нагрузок в плоскости. Определялась переходная (при нестационарных колебаниях) квазилинейная динамическая реакция, приводится анализ динамической неустойчивости указанных объектов. Применялся метод конечных разностей. Основные дифференциальные уравнения задачи были решены с использованием метода Рунге-Кутта. Полученное решение сравнивалось с результатами применения компьютерной программы разработанной на базе МКЭ. Определено влияние начальной статической нагрузки, начальной погиби и краевого стеснения на окончательное НДС.

В монографии А. Е. Богдановича /13/ для определения параметров динамического поведения шестислойной углепла-стиковой оболочки, нагруженной статическим осевым сжатием, статическим внешним либо внутренним давлением и аналогичными нестационарными нагрузками, используется метод Бубнова-Галеркина. Наиболее сильный эффект от учета предварительного нагружения обнаружен при совместном действии статического и динамического внешнего давления. Результаты расчетов показывают также, что предварительное статическое нагружение изменяет координаты тех точек на поверхности оболочки, в которых достигаются максимумы прогиба и напряжений.

Необходимо отметить, что в задачах определения НДС от нестационарного нагружения применение методов Бубнова-Галеркина или Ритца, базирующихся на использовании глобальных базисных функций, обладает существенным недостатком. Поскольку решения, получаемые по этим методам, очень сильно зависят от конкретного вида функций, аппроксимирующих перемещения, и необходимость того или иного количества членов разложения до сих пор не получила строгого обоснования.

При численном решении динамических задач одним из главных является вопрос о выборе численной схемы интегрирования по времени. В настоящее время получили распространение методы преобразования Лапласса и Фурье, метод разложения по собственным формам и методы прямого численного интегрирования уравнений движения.

Так в работах М. В. Лазаренко и В. И. Тараканова /65, 66/ рассматривается реализация методов преобразования Лапласса и Фурье в задаче о действии локальной импульсной нагрузки на предварительно напряженную сферическую оболочку и предварительно наддутую бесконечную цилиндрическую оболочку. Все параметры напряженно-деформированного состояния получены в квадратурах. Нагрузка полагается кусочно-линейной функцией по времени и координатам и равномерно распределенной по прямоугольной площадке с треугольным законом изменения по времени.

В /129/ дан анализ динамической реакции цилиндрических оболочек. Задача решена на основании уравнений теории первого приближения тонких упругих оболочек. Ипользован МКЭ, при численной реализации был принят конечный элемент с 12 степенями свободы. Уравнения движения были интегрированы с применением метода модальной суперпозиции на базе заранее определенных частот и форм собственных колебаний. Проведен анализ для цилиндрической оболочки с учетом различных граничных условий при предварительной нагрузке осевыми усилиями, подвергнутой воздействию несимметричной динамической нагрузки. Отмечается влияние предварительного статического продольного усилия.

Расчет собственных колебаний требует в случав систем большого размера значительных затрат машинного времени. Поэтому решение динамических задач методом разложения по собственным формам целесообразно выполнять в том случае, когда для получения приемлемой точности результатов достаточно ограничиться учетом лишь нескольких основных тонов колебаний. Однако при расчете сложных оболочечных конструкций требуется учитывать большое число тонов собственных колебаний, и метод разложения по собственным формам становится неэффективным. В этих случаях более экономичным оказывается прямое интегрирование уравнений движения с помощью той или иной численной процедуры. Наиболее широко применяются методы интегрирования шагового типа.

Коллектив авторов Ю. С. Воробьев, А. В. Колодяжный, В. И. Севрюков, Е. Г. Янютин в своей монографии /120/, которая является обобщением их исследований за последние годы, используют явную трехслойную схему интегрирования по времени. В качестве одного из примеров приводится исследование процесса упругопластического деформирования пологой цилиндрической оболочки бесконечной длины под действием локальной импульсной нагрузки при наличии предварительного напряженного состояния, вызванного внутренним статическим давлением. Отмечается, что наибольшее влияние внутреннее давление оказывает в зоне приложения нагрузки и практически не изменяет границ области повышенных значений интенсивности деформаций вокруг площадки нагружения, лишь немного ее расширяя.

Явные схемы интегрирования по времени являются условно устойчивыми, и хотя они в отличие от неявных схем проще в реализации, при решении довольно широкого круга задач может, оказаться, что для обеспечения численной устойчивости разностной схемы по времени потребуется проводить расчет при недопустимо малом шаге. В этом случае предпочтительным является использование безусловно устойчивой неявной разностной схемы.

Среди различных причин, обуславливающих демпфирование колебаний механической системы, особый интерес представляет естественное поглощение энергии колебаний внутри самой колебательной системы. Как известно, при циклическом деформировании реальных конструкций обнаруживается несовпадение зависимостей мезду усилием и деформацией при нагрузке и разгрузке. Наблюдаемое явление механического гистерезиса объясняется тем, что необратимо поглощенная энергия затрачивается на преодоление внутреннего неупругого сопротивления материала и на трение в сочленениях деформируемых элементов.

Очевидно, что решение различных задач о вынужденных колебаниях реальных тел требует отчетливых представлений об их демпфирующих свойствах. Однако регламентировать заранее вибропоглащающую способность той или иной конструкции зачастую весьма сложно. Это является следствием большого разнообразия и взаимосвязанности параметров, обуславливающих рассеяние энергии, и требует систематического и комплексного изучения демпфирующей способности материалов и соединений деформируемых элементов конструкций с учетом конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов.

Различные аспекты этой проблемы и обзор многочисленных исследований, посвященных этому вопросу, можно найти в обстоятельных работах М. А. Криштала и С. А. Головина /64/, Г. С. Писаренко /115/, В. С. Постникова /116/, Е. С. Сорокина /123/ и В. В. Матвеева /73/. В этих работах отмечается, что несмотря на большую историю изучения рассеяния энергии в материале, до настоящего времени нет еще единого мнения по ряду важных вопросов, имеющих научное и прикладное значение, например о влиянии вида напряженного состояния, статического нагружения, наложения деформирования другой частоты, вида деформации, формы и размеров деформируемых элементов. Анализ имеющихся исследований свидетельствует о наличии не только количественного, но и качественного расхоздения полученных результатов и сделанных разными авторами выводов, а имеющиеся результаты экспериментального исследования весьма разрозненны и вследствие различия в методиках и степени их корректности не всегда сопоставимы, а зачастую и противоречивы.

Однако на практике для широкого круга инженерных конструкций при определении параметров динамического поведения большое распространение получила методика учета несовершенной упругости материала деформируемых тел, в которой предполагается, что неупругие сопротивления материала пропорциональны первой степени скорости деформирования. Такой подход используют в своих работах Р. Б. Рикардс /117/, Ю. П. Жигалко /47/, Н. Ф. Ершов и А. Н. Попов /46/, Л. М. Савельев и Х. С. Хазанов /86/ и целый ряд других авторов.

Из приведенного краткого обзора работ по определению динамического поведения оболочек с учетом их предварительного статического НДС видно, что количество этих работ невелико и наиболее полные результаты получены для оболочек сравнительно простых форм, для описания которых достаточным является использование систем координат частного вида. Такие оболочки, вообще говоря, не могут служить расчетной схемой многих оболочечных элементов конструкции ЛА, отличительной особенностью которых является сложность как очертаний опорного контура, так и базовой поверхности. Эти оболочечные элементы, в соответствии с /60/, принадлежат к классу оболочек сложной геометрии.

Для решения задач механики пластин и оболочек со сложной формой базовой поверхности и неканоническим контуром эффективным является метод, предложенный В. Н. Паймушиным /30, 59−63, 90−94/. В соответствии с этим методом отыскание решения краевых задач механики оболочек рассматриваемого класса происходит в два этапа. На первом этапе строится параметризация области й, занимаемой оболочкой на базовой поверхности <3, которая заключается в фиктивном деформировании некоторой поверхности отсчета и выбираемой на ней канонической области П0. Процесс фиктивного деформирования осуществляется таким образом, чтобы семейство координатных линий, построенных на на границе области С] совпадало с контурными линиями оболочки. На втором этапе в метрике а?]г, построенной на формулируются основные уравнения, описывающие механику деформирования исследуемых оболочек.

Использование данного подхода позволило решить целый ряд практически важных задач статики, термоупругости и колебаний оболочек сложной геометрии, которые являются расчетными схемами реальных конструкций, таких как лопасти гребных винтов, элементы остеклений летательных аппаратов, различные панели и т. п. Основные результаты этих исследований представлены в работах В. Н. Паймушина и его учеников /6, 7, 32, 57, 58, 67, 68, 87−89, 98−101, 103−105, 112, ИЗ/.

В заключении обзора, не претендующего на исчерпывающую полноту, можно сделать вывод, что несмотря на разработанность многих вопросов механики оболочек сложной геометрии, исследования динамического поведения таких оболочек с учетом их предварительного статического НДС весьма малочисленны, а численные результаты относятся только к оболочкам стандартных канонических форм с каноническим очертанием контура. В связи с этим разработка методов исследования динамического НДС предварительно нагруженных оболочек сложной геометрии представляется важной актуальной научной задачей.

Целью данной работы является :

— построение в рамках соотношений уточненной нелинейной теории типа Тимошенко линеаризованных уравнений движения многослойных анизотропных оболочек переменной толщины и сложной геометрии с учетом предварительного статического напряженно-деформированного состояния;

— на основе полученных соотношений, интегрально-проекционного метода по пространственным координатам и неявной разностной схемы по времени разработка метода, приводящего к симметричной структуре алгебраического аналога уравнений движения, и пакета прикладных программ (ППП) для исследования параметров динамического поведения слоистых анизотропных оболочек сложной геометрии с учетом их предварительного статического нагружения;

— применение разработанных методик и ППП к исследованию нестационарного деформирования ряда оболочечных элементов как канонического очертания, так и сложной геометрии, и изучение влияния статического НДС.

На защиту выносятся:

1) линеаризованные уравнения движения предварительно статически нагруженных анизотропных оболочек сложной геометрии со слоями переменной толщины, выведенные в рамках теории типа Тимошенко в предположении о малости деформаций и конечности перемещений;

2) применение в интегрально-проекционной схеме решения уравнений равновесия и движения метода конечных сумм, базирующегося на интегрирующих матрицах, построенных на основе интерполяционного многочлена Лагранжа, в сочетании со специальной процедурой удовлетворения произвольных граничных условий, приводящей к симметричному виду алгебраического аналога системы;

3) алгоритм численного решения задачи определения динамической реакции предварительно нагруженных оболочек сложной геометрии и реализующее его программное обеспечение, доведенное до практиче ского использования;

4) результаты исследования динамической реакции осесимметричных конструкций и откидной части фонаря самолета, имеющей сложную форму срединной поверхности, с учетом предварительного напряженно-деформированного состояния.

Научная новизна работы состоит в построении уточненных линеаризованных уравнений движения предварительно нагруженных анизотропных оболочек сложной геометрии со слоями переменной толщины на базе уточненной теории типа Тимошенко. Применение в методе конечных сумм интегрирующих матриц, построенных на основе интерполяционного многочлена Лагранжа (МКС ПЛ) в узлах полиномов Лежандра на участках интегрирования, и специальной процедуры формирования системы уравнений для произвольных граничных условий, что приводит к симметричному алгебраическому аналогу системы разрешающих уравнений. Причем в зависимости от конкретного вида граничных условий в ряде, случаев удается существенно понизить порядок матрицы системы. При таком подходе интегрально-проекционный метод, сохраняя присущую ему более высокую точность, не уступает методам конечных элементов (МКЭ) и конечных разностей (МКР)'в смысле экономии ресурсов ЭВМ, алгоритмичности и быстродействия. На основе полученных уравнений и предложенного алгоритма разработан численный метод определения динамической реакции оболочек сложной геометрии с учетом статического НДС. В указанной вше уточненной постановке получено решение ряда новых задач определения динамического поведения одномерных конструкций и оболочки сложной геометрии, моделирующей элемент остекления-фонаря самолета.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке и реализации на ПЭВМ эффективного метода расчета параметров нестационарного поведения слоистых анизотропных оболочек сложной геометрии с учетом предварительного НДС. С помощью этого метода проведен численный эксперимент по исследованию влияния начального нагружения и деформирования на динамическое поведение осесимметричных конструкций и оболочки со сложным очертанием контура и сложной формой поверхности приведения. Оценивается влияние предварительного НДС на характер и развитие процесса нестационарного деформирования.

Диссертация является обобщением работ автора /40, 57, ПО, III/ и состоит из введения, пяти глав и заключения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Исходя из нелинейных соотношений уточненной теории оболочек типа Тимошенко, записанных в тензорной форме при малых деформациях и произвольных перемещениях, построены линеаризованные уравнения движения многослойных оболочек сложной геометрии, имеющих переменную толщину слоев, анизотропию свойств материала и подверженных предварительному воздействию статических сил.

2. На основе применения интегрально-проекционного метода по пространственным координатам и неявного разностного по временной координате разработан универсальный численный метод и соответствующее программное обеспечение, позволяющие определять НДС упругих оболочек рассматриваемого класса при малых перемещениях и исследовать его влияние на характеристики нестационарного деформирования. Используемый численный метод основан на применении метода конечных сумм с интегрирующими матрицами на базе интерполяционного многочлена Лагранжа, определяемого в узлах полинома Лежандра. Такой подход при выполнении специальной процедуры удовлетворения произвольных граничных условий приводит к алгебраическому аналогу вариационных уравнений движения в виде симметричной матрицы с окаймлением. В зависимости от конкретного вида граничных условий в ряде случаев удается существенно понизить размерность матрицы системы. Решение системы уравнений осуществляется по одной из модификаций метода Холецкого.

3. Проведенные расчеты показывают, что кроме экономии рессурсов ЭВМ и сокращения времени счета программы, МКС Ш1 имеет более высокую скорость сходимости и точность, чем метод конечных сумм, традиционно используемый в настоящее время.

4. На основе созданного программного обеспечения проведены исследования влияния предварительного статического нагружения на параметры динамического процесса. На примере стержневой модели лопатки ротора исследовано влияние числа оборотов лопатки на динамическое деформирование, вызванное нестационарной нагрузкой. Для цилиндрической панели установлено, что с увеличением кривизны возрастает влияние предварительного статического НДС на динамическое поведение оболочки. .Показано влияние предварительного избыточного давления на характер динамического процесса, возникающего от взаимодействия фронта ударной волны с откидной частью фонаря самолета.