автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Проектирование металло-композитных трубчатых стержней жестких элементов конструкций ракетной и космической техники

Введение.

1. Анализ каркасно-стержневых конструкций ракетной и космической техники.

1.1. Конструктивные особенности.

1.2. Анализ конструкций композитных трубчатых стержней.

1.3. Обзор работ. Постановка задачи.

2. Расчет композитного трубчатого стержня с металлическими законцовками на жесткость.

2.1. Модель деформирования клеевого соединения по конусу тонкостенных трубчатых стержней.

2.2. Уравнения конусных клеевых соединений и трубчатых стержней.

2.3. Разрешающая система уравнений.

2.4. Модифицированный вариант метода дифференциальной прогонки.

3. Расчет на жесткость конусного механического зацепления.

3.1. Модель деформирования конусного зацепления трубчатого стержня.

3.2. Потенциальная энергия системы.

3.3 Равновесие и устойчивость равновесия системы.

3.4. Методика расчета.

4. Экспериментально-теоретическое исследование трубчатых металло-композитных стержней и конструкций.

4.1. Исследование труб-тяг силовой рамы космического телескопа.

4.2. Выбор конструктивных параметров консоли космического телескопа заданной жесткости.

Развитие современной ракетной и космической техники сопровождается активным внедрением композиционных материалов (КМ), которые повышают весовую эффективность несущих конструкций за счет своих высоких характеристик прочности, жесткости, малой плотности и возможности формирования требуемых механических свойств в заданных направлениях. Особенно КМ полезны для элементов конструкций летательных аппаратов, к которым предъявляются требования по условиям жесткости. К таким конструкциям можно отнести силовые рамы каркасов космических телескопов, каркасы солнечных батарей, системы разделения головных обтекателей ракет-носителей. Общим в этих конструкциях является наличие силовых трубчатых стержней-тяг. Вопросам проектирования трубчатых стержней и компоновке на их основе каркасных конструкций и посвящена диссертационная работа.

Цель диссертации - разработка методов расчета на жесткость металло-композитных трубчатых стержней-тяг и экспериментально-расчетных методов проектирования каркасных конструкций.

Научная новизна работы.

1. Разработан и научно обоснован вариант адаптивной конструкции силовой рамы каркаса космического телескопа, включающий консоли коробчатого сечения, задающие жесткость, и упругие параллелограммы, образованные стержнями-тягами, обеспечивающие стабильность относительного расположения концевых блоков с оптическими элементами.

2. Разработана и научно обоснована конструктивно-силовая схема каркаса солнечных батарей с заданными жесткостными свойствами, оптимальная по массе, собранная из металло-композитных стержней.

3. Найдены конструктивно-технологические решения металло-композитных трубчатых стержней требуемой жесткости применительно к тягам силовой рамы космического телескопа, к каркасу солнечных батарей, к механизму разделения продольного стыка головных обтекателей ракет-носителей.

4. Разработаны численный метод проектировочного расчета трубчатых металло-композитных стержней, учитывающий упругость композитных труб, металлических законцовок, соединительных слоев, и аналитический метод оценки жесткости конусного механического зацепления.

5. Результаты статических, вибрационных и климатических испытаний созданных композитных трубчатых стержней с металлическими закон-цовками.

Публикации и апробация работы.

Результаты исследований отражены в работах [74^-89] и докладывались на конференциях:

1. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е.Жуковского. Военный авиационный технический университет (ВВИА) им. Н.Е.Жуковского. - Москва, 2002г.

2. V Всесоюзный симпозиум по механике конструкций из КМ. - Миасс, 1986г.

3. Научно-техническая конференция ГКНПЦ им. М.В.Хруничева. - Москва, 1986г.

4. 51-я Научно-техническая конференция МИРЭА. - Москва, 2002г. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка цитируемой литературы; изложена на 103 страницах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По работе сделаны следующие выводы :

1. Создан и научно обоснован вариант адаптивной конструкции силовой рамы каркаса космического телескопа, который обеспечивает при эксплуатации заданную жесткость силовых элементов оптики.

2. Разработана и научно обоснована конструктивно-силовая схема стержневого каркаса солнечных батарей, которая соответствует требуемым жесткостным свойствам при снижении массы на 30% по сравнению с трехслойными аналогами.

3. Найдены конструктивно-технологические решения металло-композитных трубчатых стержней для тяг силовой рамы космического телескопа, для каркаса солнечных батарей, для механизма разделения продольного стыка головного обтекателя ракеты-носителя, оптимизированные с помощью расчетных и экспериментальных методов.

4. Разработаны методы расчета жесткости металло-композитных трубчатых стержней с учетом упругости клеевого слоя и с учетом конусного механического зацепления, которые позволяют решать задачи проектирования комбинированных стержней жестких элементов нагруженных конструкций.

5. Проведены испытания, подтвердившие работоспособность созданных металло-композитных трубчатых стержней применительно к силовым конструкциям ракетной и космической техники.

1. Алфутов H.A., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчёт многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. - М., Машиностроение, 1984.-446с.

2. Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оболочек. М., Наука, 1974.-446с.

3. Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. -М., Машиностроение, 1980. 375с.

4. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. -М., Машиностроение, 1988. 272с.

5. Григолюк Э.И., Куликов Г.М. Многослойные армированные оболочки: Расчёт пневматических шин. М., Машиностроение, 1988. - 288с.

6. Гайдарчук В.Е., Карпов Я.С., Русин М.Ю. Механика волокнистых композиционных материалов. Учеб. пособие. Харьков, Харьковский авиационный институт, 1991 - 98с.

7. Малмейстер А.К., Тамуги В.П., Тетере Г.А. Сопротивление полимерных и композиционных материалов. Рига, Зинатне, 1980. -572с.

8. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М., Машиностроение, 1977. - 144с.

9. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. М., Машиностроение, 1990. - 512с.

10. Ю.Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твёрдого тела. М., Наука, 1998.-712с.

11. И.Скудра A.M., Булаве Ф.Я. Прочность армированных пластиков. М., Химия, 1982.-214с.

12. Композиционные материалы: В 8 ми .т. Пер. с англ. /Под ред. Браутмана J1. и Крока Р. // Механика композиционных материалов. /Под ред. Дж. Сендецки. - М., Мир, 1978. - Т. 2. - 564с.

13. Композиционные материалы: В 8 ми .т. Пер. с англ. /Под ред. Браутмана Л. и Крока Р. // Применение композиционных материалов в технике. /Под ред. Нотона Б. С - М., Машиностроение, 1978. - Т.З. -512с.

14. Композиционные материалы: В 8 ми .т. Пер. с англ. /Под ред. Браутмана JI. и Крока Р. // Анализ и проектирование конструкций. /Под ред. Чамиса К. - М., Машиностроение, 1978. - Т.7. - 4.1. - 342с.; Т.8. -Ч.И. - 264с.

15. Справочник по композиционным материалам: В 2 кн. //Пер. с англ. А.Б. Геллера и др.: Под ред. Дж. Любина. М., Машиностроение, 1988. -Кн.1. - 448с.; Кн. 2.-584с.

16. Абибов А.Л. Композиционные материалы, процессы и оборудование для механизированного формования элементов корпусных конструкций. Обзор. Л., ЦНИИ "Румб", 1977. - 77с.

17. Технологические напряжения и деформации в композитных материалах. Учеб. пособие /А.Н.Гузь, В.Г. Томашевский, Н.А. Шульга, B.C. Яковлев. Киев, Высшая школа, 1988. - 270с.

18. Артюхин Ю.П. Механика пластин и оболочек при контактных воздействиях. Автореф. дис. докт. Физ. мат. Наука - Казань, КГУ, 1980.-24с.

19. Паймушин В.Н. Теория клеевых соединений. //Сообщения АН Грузинской ССР, 123, №1. 1986. -с.41-44.

20. Пелех Б.Л., Марчук М.В., Когут И.С. Исследование прочности и проектирование клеевого соединения цилиндрических элементов из металла и армированного полимерного материала. // Механика композитных материалов. 1992. - №3. - с.370-376.

21. Воробей В.В., Сироткин О.С. Соединения конструкций из композиционных материалов. М. Машиностроение, 1985. - 166с.

22. Фрейдин A.C., Турусов P.A. Свойства и расчёт адгезионных соединений. М., Химия, 1990. 256с.

23. Царахов Ю.С. Вопросы конструирования клеевых соединений элементов из полимерных композиционных материалов. //В сб.: Технология. Сер. Конструкции из композиционных материалов, 1991. -вып. 2. с.25-29.

24. Кинлок Э. Адгезия и адгезивы. Наука и технология. /Пер. с англ. М., Мир, 1991.-c.484.

25. Усюкин В.И. Строительная механика конструкций космической техники. Учебник. -М., Машиностроение, 1988. 392с.

26. Молодцов Г.А. Напряжённые элементы конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов. М., Машиностроение, 1993.-224с.

27. Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композиционных материалов. /Г.А. Молодцов, В.Е. Биткин, В.Ф. Симонов, Ф.Ф. Урмансов. М., Машиностроение, 2000. - 352с.

28. Комиссар О.Н., Мухин Н.В., Климакова Л.А. Высокоэффективные композитные конструкции для техники XXI века. //Наука -производству. 1999. №9. -с.43-48.

29. Инженерный справочник по космической технике. //Под ред. A.B. Солодова. М., Воениздат, 1977. - 430с.

30. Создание прецизионных конструкций из углепластиков для уникальных крупногабаритных изделий космического применения: Отчёт по НИР/ОНПП "Технология"; Рук. Буш A.B. -12-240970001; Гос. Рег.№У82701; Инв. № Г35661. Обнинск., 1997. - 191с.

31. Буланов И.М., Воробей B.B. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учебник для вузов. М., издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 516с.

32. Крысин В.Н. Крысин М.В. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций. М., Машиностроение, 1989. -240с.

33. Воробей В.В., Морозов Е.В., Татарников О.В. Расчёт термонапряжённых конструкций из композиционных материалов. М., Машиностроение, 1992. - 238с.

34. Основы проектирования и изготовления конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов. / Васильев В.В., Добряков A.A., Дудченко А.П. и др.- М., издательство МАИ, 1985. 218с.

35. Баничук Н.В., Кобелев В.В., Рикардс Р.Б. Оптимизация элементов конструкции из композиционных материалов. М., Машиностроение, 1988.-224с.

36. Николаев В.П., Новиков В.В., Суханов A.B., Лапоткин В.А. Трубчатый стержневой элемент. A.C. №1492152.

37. Лапоткин В.А., Суханов В.А., Новиков В.В. Трубчатая стержневая конструкция. -A.C. №1487531.

38. Тарнопольский Ю.М., Хитров В.В. Стержни из композитов для ферменных конструкций. (Обзор). //Механика композитных материалов, 1986. №2. с.258-268.

39. Маас Д.П. Конструирование и изготовление труб из композиционных материалов для работающих на сжатие конструкций. М., ВЦП, 1991. - Часть1. - с.36-51.

40. Аккуратов И.Л., Василевский В.М., Пепелин B.C., Шемшурин М.В., Хитров В.В. Трубчатый стержень из волокнистого композиционного материала. Авторское свидетельство №200260, 1983.

41. Разработка конструкции и технологии изготовления унифицированных тяг управления из композиционных материалов: Отчёт по НИР/ОНПП "Технология"; Руководитель Возякова Л.С. 1224188; № Г.Р.У56441; Инв. №1207. - Обнинск: ОНПП "Технология", 1990. - 130с.

42. Егоров В.Н., Аккуратов И.Л., Оленин И.Г. Конструктивные особенности составных металлокомпозитных стержней рам и ферм //Авиационная промышленность. 1997. - №3-4. - с.9-11.

43. Шемшурин М.В. Разработка технологии изготовления трубчатых стержней из композитов для крепления криогенных баков: Кандидатская диссертация Рига, 1983. - 166с.

44. Щербаков В.Т., Цыбин Э.В., Соловьёва С.П. Конструкция и технология изготовления тяг управления из композиционных материалов // Авиационная промышленность. 1989. - №8. - с.7-10.

45. Данилова И.Н., Соколова Т.В. , Карпейкин И.С. Влияние анизотропии материала на жесткость и прочность углепластиковых труб при кручении //Авиационная промышленность. 1976. - №9. - с.57-59.

46. Карпов Я.С. Проектирование и конструирование стержней из композиционных материалов: Учебное пособие. Харьков: Харьковский авиационный инстиут, 1996. - 40с.

47. P.A. Zinoviev, A.A. Smerdov. Optimal design of composite bars for space fruss systems // Optimal design. Tehnomic publishing CO. Lancaster -Basel. 1999.-p.277-314.

48. Суханов A.B., Лапоткин B.A. Проектирование стержневых пространственных конструкций из композитов. Аналитический обзор №4656. М., ЦНИИИ. - 1988. - 72с. ДСП.

49. Егоров В.Н. Комплекс программ KL-1 для проектирования соединений внахлёст композиционных стержней и цилиндрических оболочек // Вестник машиностроения. 1996. - №5. - С. 17-19.

50. Половый А.О. Проектирование рациональных трубчатых стержневых конструкций из полимерных композиционных материалов с учётом конструктивно технологических особенностей соединений: Автореферат диссертации канд. техн. наук. - М., МАИ, 2001.

51. Хитров В.В., Аккуратов И.Л. Несущая способность клеевых стержней из предварительно формованных элементов // Механика композитных материалов. 1988. - №1. - С.94-99.

52. Хитров В.В., Лапоткин В.А., Суханов A.B. Несущая способность многослойных составных трубчатых стержней из композитов // Механика композитных материалов. 1990. - №1. — С.85-92.

53. Анискевич Н.И., Малмейстер A.A., Янсонс Ю.О. Методика испытаний трубчатых образцов из полимерных материалов при сложном напряжённом состоянии в условиях температурного воздействия // Механика композитных материалов. 1984. - №1. - С. 131-135.

54. Егоров В.Н. Расчётные модели комбинированных соединений в конструкциях летательных аппаратов // Авиационная промышленность. 1995. -№5-6.-С.8-16.

55. Степанычев Е.И., Новиков В.В., Суханов A.B. Исследование деформативности композитных стержней с концевой арматурой для ферменных конструкций // Механика композитных материалов, 1989. -№2. С.291-297.

56. Фрегер Г.Е., Игнатьев Б.Б., Чесноков В.В. Термические напряжения в стержневых изделиях из композитов, изготовленных методом спиральной намотки // Механика композитных материалов. 1987. -№2. - С.305-309.

57. Смердов A.A. Разрушение композитных труб по форме "китайского фонарика" при нагрузке весового типа // Механика композитных материалов. 1999. - №3. - С.319-324.

58. Жигуни И.Г., Хитров В.В., Аккуратов И.Л., Шемшурин М.В. Сжатие и кручение трубчатых композитных стержней из предварительно формованных элементов // Механика композитных материалов. 1984. №1 - С.87-90.

59. Николаев В.П., Новиков В .В., Суханов A.B. Жёсткость и прочность разъёмных соединений стержневых элементов из КМ // Механика композитных материалов. 1988. - С.102-108.

60. Егоров В.Н. Сравнительный анализ конструкций одно и двухсторонних фитингов для композитных тонкостенных стержней // Авиационная промышленность. - 1995. - №3-4.- С.28-31.

61. Егоров В.Н. Напряжённое состояние клеевого слоя в законцовках тонкостенных стержней из композиционных материалов // Применение пластмасс в машиностроении: Сборник трудов / МВТУ им. Н.Э.Баумана.-М, 1986. С.30-36.

62. Аккуратов И.Л., Василевский В.М., Пепелин B.C., Шемшурин М.В., Тарнопольский Ю.М. Законцовка стержня из композиционного материала. Авторское свидетельство №220523, 1984.

63. Бондаренко Д.А., Гришин В.И., Голубева Н.В. Расчёт в трёхмерной постановке клеевого соединения с учётом пластичности клея // Труды ЦАГИ.-вып. 2638, 1998. -С.44-51.

64. Карпинос Д.М., Кадыров В.Х., Крылов Ю.В. Сравнительная оценка эффективности некоторых типов концевых узлов крепления трубчатых стержней из полимерных композитных материалов // Механика композитных материалов. 1980. №5.- С.941-943.

65. Новиков В.В., Суханов A.B., Лапоткин В.А. Соединения в стержневых конструкциях из композитов // Обзор №5216 / ЦНИИИ и ТЭИ. -М. -1991.- 118с.

66. Филин А.П. Элементы теории оболочек. Л., Стройиздат. - 1987. -384с.

67. Бидерман В.JI. Механика тонкостенных конструкций. 1977. -М., Машиностроение, -488с.

68. Ильюшин A.A. Явление прыжка в резьбовом соединении растянутой симметричной оболочки // Инженерный сборник. 1948. -т. IV. вып.2. -С. 10-23.

69. Сироткин О.С., Литвинов В.Б., Гришин В.И. Технология и механика соединений. -М., МАртика. 2000. - 314с.

70. Баландин В.В. Труба оптического телескопа. A.C. №983625. - 1981.

71. Мельников Н.П., Поляк B.C., Соколов А.Г. Труба оптического телескопа. A.C. №640228. - 1978.

72. Фадеев A.A. Труба телескопа. A.C. №909654. - 1982.

73. Поляк B.C., Синкевич Ю.Б. Труба оптического телескопа. A.C. №744419.-1980.

74. Бахвалов Ю.О., Кулага Е.С. Исследование деформативности клеемеханических нахлёсточных соединений элементов из углепластиков // В сб.: РК-техника НПО "Композит" - 1990. ДСП.

75. Бахвалов Ю.О., Кулага Е.С., Громов С.Н. Исследование конструкции клеемеханической законцовки стержня из углепластика // В сб.: PK -техника НПО "Композит" - 1990. ДСП.

76. Бахвалов Ю.О., Кулага Е.С., Петроковский С.А., Черняков Д.С., Зданович Ю.К. Проектирование высокостабильной силовой рамы применением композитных материалов. // В сб.: Труды V Всесоюзного симпозиума по механике конструкций из КМ. Миасс, 1986.

77. Бахвалов Ю.О., Борисов А.П., Кулага Е.С., Петроковский С.А., Черняков Д.С. А. С. №256444. 1986.

78. Бахвалов Ю.О. A.C. №291233.- 1987.

79. Востриков И.М., Кулага Е.С., Бахвалов Ю.О. Методика проектирования геометрически стабильных конструкций. // Научнотехнический отчёт, №222-88-45. -ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. 1988. -77с.

80. Востриков И.М., Бахвалов Ю.О. Экспериментальная отработка элементов из углепластика силовой рамы изделия 19Д // Научно -технический отчёт, №222-19Д. -ГКНПЦ им. М.В.Хруничева. 1989. -170с.

81. Бахвалов Ю.О., Селезнев И.И. Некоторые вопросы проектирования геометрически стабильной силовой рамы // В сб.: Труды НТК / КБ "Салют", М. -1986. ДСП.

82. Бахвалов Ю.О., Кулага Е.С., Петроковский С.А. Авторское свидетельство №273716 1986

83. Бахвалов Ю.О., Минаков A.B. Авторское свидетельство №287761 -1988

84. Бахвалов Ю.О., Кулага Е.С. Применение углепластика в геометрически стабильной силовой раме. // В сб.: РК-техника НПО "Композит", -1986.

85. Бахвалов Ю.О., Егорова Г.И. Проектирование корпуса оптической системы // В сб. Труды НТК / КБ "Салют". М. - 1986. ДСП.

86. Бахвалов Ю.О. Несущая способность металло-углепластиковых стержней тяг // Полёт. - 2002. - №6.

87. Егоров В.Н., Бахвалов Ю.О. Расчётная модель клеевого соединения трубчатых стержней с механическим зацеплением // Авиационная промышленность. 2002. - №4 ( в печати).

88. Егоров В.Н., Бахвалов Ю.О. Условия жёсткости конических соединений трубчатых стержней // 51-ая Научно техническая конференция МИРЭА: Тезисы докладов, г. Москва, 2002г.