автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Проектирование и технология изготовления термонапряженных элементов конструкций из пространственно-армированных углеродных композиционных материалов



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОНАПРЯЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПРОСТРАНСТВЕННО - АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.07.05 — Тепловые двигатели летательных аппаратов

На правах рукописи

Тащилов Сергей Васильевич

Авторефер

диссертации на соискание уч»- г степени

кандидата технических на

Москва 1334.

Работа выполнена в фирме "Карбокомп" НПО "Композит"

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Б.Б.Воробей

Научный консультант — кандидат физика — математические

наук, старший научный сотрудник О.В.Татарников

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Н.А.Алфутов, кандидат

технических наук, додеш С.В.Бухаров

Ведущая организация НПО "Энергомаш"

Защита состоится__ 1994 г. в _час.

_ мин. на заседании специализированного совета ССК

053.04.01 МАИ по адресу: г. Москва, Московский

авиационный институт, Волоколамское шоссе, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ

Автореферат разослан_ 1994 г.

Ваши отзывы в 2 экз. заверенные печатью, просьба высылать по указанному адресу

Ученый секретарь специализированного сове1 доцент, к.т.н.

Т.В.Михайлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Все более частое применение углерод —углеродных композиционных материалов (УУКМ) в ряде ответственных узлов современной аэрокосмической техники ставит ряд новых задач по изготовлению таких элементов конструкций с максимально возможными свойствами за зшнимально возможный срок.

Отличительной особенностью композиционных материалов является тот факт, что они не являются материалами в классическом смысле этого слова, а сочетают в себе как свойства материала, так; и свойстза конструкции, поскольку имеется возможность управлять типом армирующих волокон, параметрами структуры армирования, такими, как; число направлений армирования, направляющие косинусы и объемные доли волокна для каждого из направлений армирования.

Следовательно, неотъемлемой частью технологического процесса изготовления элементов конструкций из композитов является задача зыбора приемлемых типов наполнителя, матрицы и параметров структуры армирования применительно к данной конструкции с учетом ее специфических особенностей и воздействующих нагрузок. Поскольку в связи со зсе более расширяющимся ассортиментом углеродных волокон, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью, а также большим числом термостойких матриц, среди которых помимо углеродной следует также упомянуть

комбинированные матрицы углерод + карбиды тугоплавких металлов и углерод + карбид кремния, и многообразием всевозможных структур армирования становится все труднее полагаться на интуицию технолога при решении задач, связанных с выбором наполнителя, матрицы и структуры армирования композита. Для решения этих задач является актуальным создание компьютерных методик, позволяющих имитировать условия работы

композиционного материала в конструкции с учетом ее специфических особенностей и воздействующих нагрузок. Такие методики должны включать в себя синтез характеристик композита исходя из свойств исходных

компонентов и параметров структуры армирования, анализ

температурных полей и напряженно — деформированной состояния конструкции, структурные критерии прочности позволяющие вычислить прочность композита по прочност! и упругим характеристикам наполнителя и матрицы.

Цель работы. Разработка эффективных алгоритме! математического моделирования процесса деформирование УУКМ и анализа прочности композиционного материала исходя из свойств наполнителя и матрицы, позволяющш решить задачу выбора типа волокна и матрицы I параметров структуры армирования для типичные элементов конструкций летательных аппаратов подверженных воздействию близких к критические температурных и механических нагрузок.

Научная новизна. Специфические особенности УУК\-такие, как высокий уровень неоднородности и анизотропии наличие не существующей вне композита хрупкой матрицы сложность структуры пространственного армирования Физические свойства армирующих волокон могу: изменяться вследствие высокотемпературной обработк! композита, являющейся неотъемлемой частью технологического процесса изготовления УУКМ.

Для решения поставленных задач разработан? комплексная методика, позволяющая определять упругие теплофизические и прочностные свойства УУКМ < различными структурами армирования, изготовленных ш одной и той же технологии, исходя из соответствующие свойств ортогонально армированного ЗВ УУКМ, изготовленного по той же самой технологии.

На основе методики осреднения решения задач теорш термоупругости и теплопроводности <

быстроосциллирующими коэффициентами получень

соотношения, связывающие модули упругости, коэффициенты линейного расширения и теплопроводносп композиционного материала с произвольной структурой армирования с соответствующими свойствами волокна I матрицы.

Предложен критерий прочности композита

базирующийся на понятии структурного элемента, по/ которым понимается жгут армирующих волокон окруженный слоем матрицы. Для оценки прочност! структурного элемента строится тензорно-

полиномиалъный критерий прочности.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке комплекса программ, позволяющего проводить анализ напряженно —деформированного состояния и прочности элементов конструкций из УУКМ с целью выбора типов наполнителя и матрицы и рациональной структуры армирования композита применительно к анализируемой конструкции, условиям ее работы.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на VIII Международной конференции по механике композиционных материалов (г.Рига, 1993г.). По результатам диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из взедения, четырех глав и заключения.

Общий объем диссртации 187 страниц. Диссертация содержит 50 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполняемых в диссертационной работе исследований, сформулированы цель и задачи исследования, дано краткое содержание работы по главам.

Первая глава носит обзорный характер и открывается описанием особенностей физико — механических свойстз УУКМ и их составляющих, возможностей по управлению ими.

Далее рассмотрены достоинства и недостатки наиболее распространенных методов математического моделирования композиционных материалов, которые по степени идеализации неоднородной среды могут быть условно разбиты на дзе группы.

К первой группе отнесены методы моделирования з рамках механики сплошных сред (макромоделирование), когда вместо композита рассматривается идеализированная среда с эффективными свойствами. В качестве примера использования данного подхода могут быть приведены методики Л.Делнеста, О.В.Татарникоза, в которых учитываются основные макроскопические свойства УУКМ — физическая нелинейность в направлениях разориентации арматуры (имеются ввиду зысокомодульные УУКМ с

жесткой матрицей), разносопротивляемость, существенная зависимость физико — механических свойств от температуры, анизотропия. Подобные методики позволяют моделировать напряженно —деформированное состояние в зависимости от специфики конструкции, ее геометрии, условий функционирования. При расчетах реальных конструкций они не имеют альтернативы; при анализе поведения и прочности материала в составе конструкции их общий недостаток состоит в том, что в рамках макроподхода могут быть использованы лишь макроскопические критерии разрушения материала. О работе отдельно наполнителя и связующего можно судить только косвенным образом, используя, например, критерий максимальных деформаций или напряжений вдоль армирующих элементов и в направлении их максимальной разориентации. Вне рассмотрения остается, таким образом, наиболее тонкий структурный уровень исследования УУКМ моделирование его поведения на микроуровне взаимодействия наполнителя и связующего.

Вторую группу составляют подходы, рассматривающие композит как гетерогенную среду, в которой отдельные фазы отчетливо выражены и различаются по свойствам. Среди работ, посвященных этим вопросам, следует отметить работы Г.А.Ванина, А.С.Овчинского, С.С.Чамиса. Современные методы микромоделирования, основанные на широком использовании вычислительной техники, позволяют описывать ситуации, связанные с накоплением повреждений в композите, перераспределением напряжений между компонентами в случае локального разрушения, учитывать разброс физико — механических характеристик наполнителя и связующего и т.д. Несмотря на эффективность таких методов при расчетах, например, однонаправленных композитов, их применение к УУКМ со сложным армированием остается в настоящее время проблематичным. Не представляется возможным и рассмотрение всей конструкции с позиций микроподхода ввиду большого числа микроячеек композита.

Перечисленные выше обстоятельства привели к необходимости совмещения макро- и микроподхода при анализе поведения и прочности УУКМ в составе конструкции под воздействием теплосиловых нагрузок. Макроподход необходим для моделирования конструкции и

?

условий ее нагружения; микроподход — для определения упругих и теплофизических характеристик и анализа прочности композита по соответствующим свойствам его исходных компонент — золокна и матрицы.

Во второй глазе рассматривается процесс деформирования УУКМ с учетом структурной неоднородности композиционного материала.

При проведении анализа предполагается, что пространственно—армированный УУКМ состоит из армирующих элементов, представляющих собой жгут углеродного золокна, насыщенного связующим, и матрицы, причем, армирующие элементы являются трансверсально — изотропными, а матрица — изотропной. С учетом сделанных предположений тензоры упругости армирующих элементов и матрицы записываются в зиде:

С?« = Е1ЩЩк\У$+Р1

+[<$* - 5й 8$ ]+ Л/ С% 8ы СЦа - Мп [<Хч 8_п ~ 8а За ]+• /.т 8ц 8и

где Е/ , 7[, , Д/ — упругие постоянные характеризующие трансзерсально—изотропные армирующие элементы

~ коэффициенты Ляме матрицы йд — т—ад компонента единичного вектора, направление которого совпадает с а—м направлением армирования; — символ Кронекера

Аналогичные выражения справедливы и для тензоров .линейного температурного расширения:

ау- а/ ~ А а/ к* Щ

а«

аш5у

Здесь ат ~ коэффициент линейного расширения матрицы; сг/ и Доу — коэффициенты линейного расширения армирующего элемента в поперечном и продольном направлениях соответственно.

Далее в предположении, что характерный размер ячейки композита с!0 существенно меньше характерного размера Ь, на котором изменяются прилагаемая к телу нагрузка, температура и геометрия тела, производится усреднение уравнений термоупругости на основании методики осреднения уравнений с быстроосциллирующими коэффициентами, предложенной Бахваловым и Панасенко.

Согласно общей процедуре осреднения для эффективных тензоров упругости и коэффициентов линейного расширения получены следующие соотношения:

^ijmn

с;

№

OÄkmn , OÄ1 т>

Cgj

ijccf=(Ql

ifd ,

сВк

<*Sk cBi

- dkm 5ta+ 5ы Sin

■2 a%

(3)

где C-ßj и a% ~ тензоры упругости и линейного расширение пространственно— неоднородного композита; запись (f ) означает среднее от функции / по ячейке переодичности композита.

Функции Ahm и Вк являются решениями краевых задач на ячейке периодичности

о

Щк

с 1

ст 2

с< i-

2

ЗАктп , SAlrr,

ее,

оЗк SBt

_ V rfi. —к. tx

Nf

-Dr 2

ОЦд

o£,

где и От ~ величины, зависящие от упругих

характеристик и коэффициентов терми ческого расширения арматуры и матрицы;

т]а — характеристическая функция, равная 1 внутри армирующих элементов а—го направления армирования и 0 в остальном пространстве;

<777- _

—— оерется в обобщенном смысле.

В общем случае уравнения (4) представляют собой задачу теории упругости на пространственно —неоднородной ячейке периодичности композита, которая з общем случае не решается аналитическими методами.

Во второй части главы в предположении о высокомодульности армирующих волокон:

(5)

производится асимптотический анализ уразнений (4). На основании метода разложения решения (4) по отрицательным степеням большого параметра ш показано, что при выполнении условия (5) тензор упругих характеристик композита, определяемый первым соотношением в (3) можно представить в виде:

Л7,-

С^=^аЕ/к?Иа^акк? + Си (6)

£2=1

где уа — объемная доля армирующих элементов а—го направления армирования.

Первое слагаемое з (6) описывает вклад зысокомодульной арматуры в матрицу упругих характеристик и может быть получено в явном виде. Второе слагаемое описывает вклад упругих характеристик матрицы и влияние неоднородности полей перемещений в пределах элементарной ячейки композита и имеет нулевой порядок по

со.

Полученное в работе соотношение (6) позволяет рассматривать композиционный материал в виде суперпозиции двух сред. Одна из этих сред представляет высокомодульный армирующий каркас, образованный из одномерных подкрепляющих элементов. Другая среда, в общем случае анизотропная, моделирует упругие характеристики матрицы и границы раздела волокно/матрица. Формула (6) аналогична соотношениям, используемым Делнестом и Пересом при описании процессов деформирования пространственно —армированных УУКМ, за исключением того, что в данном случае гипотетическая среда, описывающая матрицу и границу раздела волокно/матрица, является анизотропной. Следует также отметить, что формула (6) получена в данной работе при решении задачи теории упругости для пространственно неоднородного композиционного материала, в то время, как Делнест и Перес принимают соотношение типа (6) в качестве постулата:

Далее в работе показано, что при выполнении неравенств

М/~Мт . Л/-Лт . 7/ . Д/ .

—-«1; —-«1; —« 1; —«1; (?)

М/ Я/ Я/

второе слагаемое в (6) вычисляется в явном виде и представляет собой тензор упругости изотропной среды с коэффициентами Ляме ц^ и которые определяются по формулам:

\ (8)

Из приведенных соотношений следует, что условием применимости суперпозиционной модели к

пространственно — армированным УУКМ являются

неравенства (5) и (7).

Далее рассматриваются вопросы определения неизвестных характеристик арматуры и матрицы Е^

а^ Д«| . Показано, что данные величины можно

определить исходя из экспериментальных значений эффективных характеристик ЗО УУКМ, направления армирования которого совпадают с осями декартовой системы координат, причем объемные доли арматуры в направлениях осей ОХ и ОУ равны и отличаются от объемной доли арматуры в третьем направлении армирования. Получены соотношения, позволяющие вычислить неизвестные свойстза матрицы и арматуры по эффективным свойствам ЗО УУКМ. Далее в работе показано, что несмотря на то, что описанный ЗО УУКМ имеет б независимых упругих постоянных, можно выбрать три неизвестных величины Е^ таким образом, что

отклонение коэффициентов упругости, вычисленное по формуле (6) от экспериментальных значений не превышает 5 %. Коэффициент вариации экспериментальных результатов для данного материала составляет 15 %.

Б заключительной части главы на основе метода осреднения получены соотношения для определения эффективных коэффициентов теплопроводности

пространственно — армированных УУКМ по соответствующим свойствам волокна и матрицы. Как и в случае задачи теории упругости разработана методика определения коэффициентов теплопроводности волокна и матрицы по соответствующим свойствам ЗО УУКМ.

Б третьей главе рассматриваются подходы к определению прочности конструкций из

пространственно — армированных УУКМ. Применительно к определению прочности УУКМ рассматриваются два подхода. Первый подход основан на понятии структурного элемента композита, под которым понимается наиболее общий элемент, из которых может быть составлен данный материал. Применительно к пространственно — армированным композитам под структурным элементом можно понимать однонаправленный армирующий жгут, окруженный слоем матрицы (рис. 1). Причем матрицу упругости композита согласно формуле (6) можно вычислить как сумму матриц упругости его структурных элементов.

При проведении дальнейшего анализа предполагается, что структурный элемент является трансверсально изотропным. Для определения поверхности прочности структурного элемента используется тензорно —

полиномиальный критерий прочности следующего вида:

СГЦ + Р2{<722 + оэз) -^11011+ Я22 ( О22 + О33) +

+2 Рп СГц ((722 + Озз) + 2 F23 <722 Озз + (9)

+2^44 ( ^2 + Нз) + 2(^22 - F2з) 4 = 1

В качестве альтернативы уравнению (9) мохе расматривать критерий прочности композиционнс материала, базируясь исключительно на суперпозиционн модели,описанной во второй главе данной работы.

При определении прочности одномерных армируюш элементов используется критерий максимальн деформаций или напряжений, которые в данном слу^ эквивалентны:

£с<£а<£р, а= 1,... ,Д*/ (10)

где е?, £с ~ предельные деформации армирующего . элемента при растяжении и сжатии соответственно;

— деформация армирующего элемента а-го направлен! Критерий прочности изотропной составляющей берется тензорно — полиномиальной форме, которая в слу-изотропного тела имеет вид:

Жои + СГ22 + Озз) + Оп + <322 + °3з) + +2С( сги СГ22 + он Озз + (У22 Озз)+ I1

+2(Л-С)(4+4+4) = 1 Каждый из критериев прочности (9) и (10) — ( содержит 5 неизвестных величин, которые додж: определяться экспериментально. Для определения эт величин можно воспользоваться экспериментальны: значениями прочности однонаправленного композиционнс материала, измеренными на специально приготовленн: образцах, подобно тому, как это делали В.В. Воробей, Е Морозов и О.В.Татарников в своей работе. Однако эт способ определения коэффициентов критерия прочное имеет методологическую погрешность, обусловлены: тем,что структура, а, следовательно и прочностные свойст матрицы, существенно зависят от технологии ( получения. При этом структура полученной матрш

существенно зависит не только от технологических режимов насыщения, но и от типа армирующего каркаса. Вследствие этого наиболее методологически точным способом определения коэффициентов критерия прочности является метод, позволяющий получить значения этих

коэффициентов исходя из прочностных свойств композиционного материала.

Применительно к определению коэффициентов критерия прочности рассматривается ортогонально —армированный зЬ УУКМ, описанный во второй главе. В критерии прочности, основанном на суперпозиционной модели (10), (И), величины предельных деформаций при растяжении и сжатии вдоль направления армирования непосредственно измеряются в экспериментах на растяжение, и сжатие ЗВ УУКМ вдоль одного из направлений армирования.

Для определения оставшихся коэффициентов Л В, С в (11) используются опыты на одноосное растяжение и сжатие в направлении наибольшей разориент&ции армирующих волокон в плоскости ХУ (под углом 45° к оси X) и опыт на чистый сдвиг з плоскости ХУ.

Аналогичным образом можно определить и коэффициенты, входящие в критерий прочности (9).

Для определения коэффициентов Р^ и Рц используются опыты на одноосное растяжение и сжатие вдоль оси Ъ. При этом предполагается, что прочность композита определяется прочностью армирующих волокон Ъ—го направления армирозания.

Для определения коэффициентов ^23

используются опыты на одноосное растяжение и сжатие з направлении наибольшей разориентации армирующих волокон з плоскости ХУ и опыт на чистый сдвиг в плоскости ХУ. Предполагается, что разрушение композита происходит, если разрушен какой—либо из его структурных элементов.

В заключительном разделе главы приведено описание методики проектирования конструкций из УУКМ, подверженных воздействию интенсивных температурных и силовых нагрузок. Разработанный алгоритм зключает з себя программные модули, позволяющие определять упругие, прочностные и теплофизические свойства волокон и матрицы. Для хранения теплофизических и механических свойств исходных компонентов КМ (волокна и матрицы)

для различных вариантов технологии насыщения УУКМ и различных типов наполнителей используется база денных.

Поскольку, как уже отмечалось ранее свойства матрицы и наполнителя зависят от технологических параметров процесса насыщения УУКМ, для определения свойств исходных компонентов для какого —либо варианта технологии получения УУКМ в соответствии с описанными методиками разработана утилита, позволяющая вычислять свойства арматуры и матрицы по соответствующим свойствам композиционного материала со структурой армирования ЗО.

С целью облегчения процесса проектирования разработан модуль расчета структуры армирования (направлений армирования и объемных долей арматуры для каждого из направлений армирования) применительно к изготовлению армирующего каркаса на специализированном станке с программным управлением (ЗБ—машина), предназначенным для плетения трехмерных каркасов, обладающих цилиндрической анизотропией.

Ядром разработанного программного комплекса является конечно — элементная программа, которая позволяет проводить анализ термоупругого поведения конструкции с учетом накопления повреждений. При анализе процесса накопления повреждений используется методика пошагового нагружения. Дад: каждого структурного элемента КМ вычисляются критерии прочности (9) или (10)—(11). Если значение критерия прочности превышает единицу, то матрица упругих характеристик соответствующего структурного элемента обнуляется.

Данный алгоритм позволяет анализировать процесс деформирования материала вплоть до разделения конструкции на отдельные части.

При апробации комплекса использовалось моделирование разрушения образцов из ЗЭ УУКМ при одноосном нагружении. Зависимость прочности при растяжении рассматриваемого материала в плоскости XV в зависимости от утла между линией приложения нагрузки и осью X представлена на рис. 2. Аналогичная кривая для одноосного сжатия представлена на рис. 3. Кривая 1 на рис. 2, 3 соответствует критерию прочности композита, основанному на представлении о структурных элементах. Кривел 2 соответствует критерию прочности, основанному

на суперпозиционной модели. Из приведенных результатов следует, что критерий прочности, оснозанный на суперпозиционной модели, занижает прочность материала при небольших углах между линией приложения нагрузки и направлением армирования. Расчетные значения прочности, основанные на критерии прочности (9), удовлетворительно описывают экспериментальные данные.

Гистограммы разрушения отдельных структурных элементов при использовании критерия (9) при одноосном растяжении и сжатии представлены на рис. 4 и 5 соответственно. Из приведенных гистограмм следует, что при углах между линией приложения нагрузки и направлениями армирования, превышающих 10°, первым происходит разрушение структурных элементов, перпендикулярных линии приложения нагрузки (Z —е направление), которое приводит к разрушению образца. При малых углах отклонения линии приложения нагрузки от одного из направлений армирования разрушение структурных элементов, перпендикулярных нагрузке, не приводит к потере несущей способности образца. И только при дальнейшем повышении нагрузки происходит разрушение материала.

С целью упрощения анализа и экономии машинного времени разработан упрощенный критерий прочности композита, который позволяет судить о прочности конструкции по предельному состоянию.

Если система координат совпадает с главными направлениями тензора напряжений, то тело считается разрушенным в направлении "а" (а = 1, 2, 3), если выполнено одно из следующих условий:

1} отсутствуют структурные элементы, угол между осью которых и направлением "а" меньше 10° и разрушен хотя бы один структурный элемент;

2) существует структурный элемент, угол между осью которого и и направлением "а" меньше 10° и он разрушен.

С использованием предложенного критерия прочности проводились исследования по определению значения внутреннего гидростатического дазления, при котором происходит разрушение кольцевых образцов из 3D УУКМ, вырезанных в плоскости XY композита. Все кольца имели постоянный внутренний диаметр и толщину 90 мм и 10 мм соответственно. Наружный диаметр составлял 110, 130, 150

мм. Расчеты проводились при помощи описанного алгоритма. Экспериментальное определение критических напряжений проводили с помощью устройства, имитирующего действие внутреннего разрушающего давления.

Сравнение результатов расчета критических значений давлений с экспериментом представлено на рис. 6. Из приведенных результатов численного моделирования следует, что разрушение образцов происходит в зоне наибольшей разориентации армирующих волокон. Наблюдается достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений критического давления. Максимальное отклонение измеренных значений разрушающего внутреннего давления от расчетных не превышает 20%, что сравнимо с точностью входных данных, использовавшихся при проведении расчетов.

В четвертой главе рассматриваются вопросы проектирования и технологии изготовления элементов конструкции ракетных двигателей из высокопрочных углерод —углеродных и углерод —керамических

композиционных материалов.

В первой части главы представлены результаты термопрочностного анализа камеры сгорания ЖРД малой тяги (МТ), который проводился применительно к выбору приемлемой структуры армирования композита и типа матрицы, которые обеспечивают работоспособность конструкции в процессе эксплуатации.

Проведенный анализ показал, что применение углерод — углеродного КМ, образованного продольно —поперечной выкладкой однонаправленной ленты на оправку, не позволяет обеспечить работоспособность конструкции ДУ при заданных нагрузках, так как расчетные напряжения растяжения и сжатия превышают предельные характеристики материала.

Перспективными применительно к элементам

конструкций, подверженных воздействию

высокотемпературных потоков окислительной среды, являются композиционные материалы с керамической матрицей, обычно БЮ, армированной углеродными волокнами.

Проведенный анализ показал, что применение КМ с керамической матрицей при изготовлении

рассматриваемой камеры ДУ позволяет удовлетворить требованиям по прочности в диапазоне температур 250 — 2300 °С. При более высоких температурах становится вероятным термохимическое разрушение материала.

Для изготовления камеры рекомендуется слоистый композиционный материал в котором в качестве наполнителя используется лента ЛУП —01. Слои укладызаются в двух направлениях: вдоль образующей и з кольцевом направлении. Выбранная таким образом схема армирования позволяет в наибольшей степени реализовать прочностные сзойства волокна, поскольку направления армирования совпадают с главными направлениями тензора напряжений и сводит к минимуму эффекты потери герметичности камеры, обусловленные растрескиванием матрицы.

Проведенные численные исследования для различных соотношений объемных долей волокна в кольцевом и осевом направлениях показали, что оптимальным с точки зрения минимизации критерия прочности является одинаковое соотношение объемных долей.

Во второй части главы проведен анализ напряженно — деформированного состояния соплового насадка маршевого двигателя второй ступени с целью выбора оптимальной структуры армирования и толщины стенки насадка.

С целью обеспечения герметичности насадка з процессе эксплуатации рекомендуется при его изготовлении использовать высокомодульные углеродные волокна, которые позволяют предотвратить потерю герметичности насадка вследствие поперечного растрескивания матрицы.

При расчете структуры армирования и толщины оболочки использовалась методика оптимального

проектирования спирально — армированных оболочек, описанная В.В. Воробей, Е.В. Морозовым и О.В. Татарникозым. В качестве критерия оптимальности использовался критерий минимальности объема насадка. В качестве ограничений ставились условия неразрушения структурных элементоз композита и технологические ограничения на толщину стенки насадка.

В результате проведенного анализа предложен вариант зонной намотки по геодезическим линиям, который позволяет снизить массу насадка на 15 % по сравнению с оболочкой, изготовленной однозонной намоткой.

В заключении сформулированы основные результат работы.

1. Разработана комплексная методика выбо; наполнителя, матрицы и структуры армирован! применительно к изготовлению термонапряженнь элементов конструкций из углеродных композиционнь материалов.

2. Предложенная методика позволяет учитыва: специфику работы материала в конструкции, а тахх технологические особенности изготовлена рассматриваемой конструкции из композиционно! материала.

3. Получены зависимости, позволяющие определят модули упругости, коэффициенты теплопроводности линейного температурного расширения армирующи волокон и матрицы исходя из соответствующи характеристик композита.

4. Получены соотношения для определения модуле] упругости, коэффициентов теплопроводности в температурного расширения пространственно -| армированного композита по соответствующим свойстваз армирующих волокон и матрицы.

5. Построен структурный критерий прочность пространственно — армированных композитов. Показано что данный критерий удовлетворительно описывас прочностные свойства композита при различных типаз нагружения.

6. Разработана методика определения коэффициента! критерия прочности композита.

7. Проведено численное моделировани< термонапряженного состояния камеры ЖРДМТ с цельк выбора приемлемой структуры армирования, тиш армирующих волокон и матрицы. Показано, что камера нг основе углеродных волокон и матрицы из карбида кремнш позволяет обеспечить работоспособность конструкции Применение углерод —углеродных КМ в данном случа< невозможно из —за высокого уровня напряжений ] конструкции.

8. Применительно к изготовлению неохлаждаемогс соплового насадка маршевого двигателя второй ступеш РД—161 проведены исследования по выбору тиш наполнителя и оптимальной структуры армирования,

Разработана схема зонной намотки насадка, которая позволяет снизить массу насадка на 15 % по сравнению с обычной однозонной намоткой.

По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1. Татарников О.В., Тащилов C.B. Прочность конструкций из пространственно — армированных углерод — углеродных композиционных материалов. VIII Международная конференция по механике композитных материалов: Тезисы докладов. — Рига, 1993, —с. 181

2. Татарников О.В., Белов Н.В., Тащилов C.B., Аборин Е.И. Прочность тел вращения из пространственно — армированных углерод —углеродных композитов // Механика композитных материалов. — 1992. — N 5. — С.627 —631.

3. Дворецкий А.Э., Тащилов C.B. Методы расчета термонапряженных элементов конструкций из углерод — углеродных композиционных материалов. Обзор по материалам отечественной и зарубежной печати за 1971 — 1988 "гг. - М.: ЦНТИ "Поиск", 1989. - 33с.

4. Татарников О.В., Тащилов C.B., Аборин Е.И., Белов Н.В. Критерии прочности осесимметричных тел из пространственно — армированных углерод — углеродных

композитов. Ракетно — космическая техника, серия VIII, вып. 2 - М.: ЦНТИ "Поиск", 1993 с. 50-60

— -И 1 У

Прочность, МПа

60 БО 40 30 20 10 0

? 1 1

А й г j

1

- * U О. г Ó f S к S г

0 5 10 15202530354045 Угол гр гд.

г

Рис. 1 Структурный элемент композита

Рис. 2 Зависимость прочности при растяжении от угла поворота образца

ьлт*,

МПа 100

1 | | О 1 1 £

0 5 10 15 23 25 30 33 <10 45 Угол грел.

Рис. 3 Зависимость прочности при сжатии от угла поворота образца

Кчлр.. МПа 30

г у П У

3 2 1 3 2 1 2 2 1

0 10 20 30 40

Уголтред.

Рис. 4 Зависимость предельных напряжений при растяжении X — ,У — ,Ъ — структурных элементов от утла поворота образца

1 — разрушается первым;

2 — разрушается вторым;

3 — разрушается третьим.

10

ЗРЕМ.

Рис. 5 Зависимость Рис. 6 Значения разрушающих

предельных напряжений внутренних давлений

при сжатии X — ,У— ,Ъ — структурных элементов от утла поворота образца

1 — разрушается первым;

2 — разрушается вторым;

3 — разрушается третьим.

230 200

МПе

100

о ¥

о

Белград.

14 12 10

Дезл., 8 МПа 6 4 2 0

100 112 123 133 1« 150 1Ю Еяетзх. ДК331., км

ас4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Рыбинский авиационный технологический институт

РГБ ОД - 5 СЕН 1994

На правах рукописи УДК 532.52; 621.43

МИХАЙЛОВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

Исследование характеристик однорасходной вихревой 1рубы с целью создания эффективных горелочных устройств

Специальность 05.07.05 —Тепловые двигатели летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РЫБИНСК 1994 г.