автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка и анализ математических моделей трехслойных панелей из композитов с минимальными локальными прогибами несущих слоев

Введение.

Глава 1. Особенности проектирования и производства трехслойных панелей солнечных батарей.

1.1 Обзор и анализ конструкторско-технологических решений трехслойных сотовых панелей солнечных батарей.

1.2 Вопросы повышения качества поверхности трехслойных панелей при проектировании и производстве.

1.3 Формулировка цели и задач исследования диссертационной работы.

Краткие выводы.

Глава 2. Разработка моделей расчета прогибов несущих слоев трехслойных панелей в зоне ячеек.

2.1 Разработка модели расчета прогиба несущих слоев за счет совместного деформирования несущих слоев и сдвоенной стенки сот при отверждении панели.

2.2 Разработка модели расчета прогибов термонеуравновешенных несущих слоев при отверждении панели.

2.3 Разработка модели расчета допустимого давления склеивания трехслойной панели.

2.4 Разработка модели расчета прогиба несущих слоев в одиночных ячейках панели.

Краткие выводы.

Глава 3. Анализ моделей образования локальных прогибов несущих слоев и разработка рекомендаций по минимизации прогибов.

3.1 Анализ разработанных моделей образования локальных прогибов несущих слоев.

3.2 Разработка рекомендаций по минимизации прогибов несущих слоев трехслойных панелей.

Краткие выводы.

Глава 4. Исследование влияния конструкторско-технологических параметров панели на прогибы несущих обшивок

4.1 Разработка алгоритма компьютерного проектирования трехслойных панелей с минимальными локальными прогибами несущих слоев в зоне ячеек.

4.2 Расчет конструкторских и технологических параметров панели солнечной батареи спутника «Модуль-М».

4.3 Оценка достоверности разработанных моделей.

Краткие выводы.

В условиях быстрого развития современной авиационно-космической техники возникает проблема создания агрегатов с новыми сочетаниями свойств, которые нельзя обеспечить, применяя только металлы и традиционные технологические методы.

В связи с этим космические конструкции, стойкие к повышенной радиации, глубокому вакууму, циклическому изменению температуры, обладающие высокой жесткостью, прочностью, близким к нулю коэффициентом температурного расширения, создаются, как правило, из композиционных материалов на полимерной и металлической основе. В современных космических аппаратах доля композиционных материалов составляет до 20%. Использование композиционных материалов (КМ) предоставляет разработчику возможность широкого выбора исходных компонентов материала, структурных схем материалов в конструкции, технологических способов формообразования, геометрии и формы конструкции, что открывает новые пути для разработки новых конструкций и технологических процессов и совершенствования уже существующих конструкций [1-5].

Однако опыт показывает, что высокие потенциальные возможности оптимизации конструктивно-технологических решений (КТР) композитов не всегда реализуются с тем эффектом, который рассчитывали получить. Это происходит в силу ряда причин [6, 7]: несовершенства существующих методов расчета, проектирования и технологии изготовления конструкций; недостаточного учета особенностей поведения композиционных материалов как при изготовлении, так и в условиях эксплуатации и др. Технологические проблемы создания эффективных крупногабаритных космических конструкций из КМ выдвигаются на первый план, но наилучшее разрешение они находят при совместном, комплексном рассмотрении вопросов синтеза

КМ, расчетов на деформативность и прочность, определении размеров конструкции и разработки технологических процессов для ее изготовления.

Данная проблема является актуальной при решении задач разработки конструкции и технологии трехслойных панелей с сотовым заполнителем. При изготовлении панелей солнечной батареи телекоммуникационного спутника «Ямал-100» фиксировался дефект поверхности панели в виде прогибов несущих слоев в зоне ячеек. Анализ проблемы показал, что прогибы являются результатом явлений, происходящих в композите в процессе изготовления, и определяются как технологическими, так и конструкторскими факторами. Эти явления должны быть исследованы, и должны учитываться разработчиком при выборе конструкторско-технологических решений панели. Актуальность проблемы возрастает в связи созданием новых космических аппаратов, таких как спутник «Модуль-М», где находят применение трехслойные панели солнечных батарей.

В основу данной диссертационной работы положены результаты научно-исследовательской работы, выполненной по хоздоговору между РКК «Энергия» им. С.П. Королева и МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Целью диссертационной работы является повышение качества конструкторско-технологических решений трехслойных панелей солнечных батарей из композитов через минимизацию дефекта формы несущих слоев в виде локальных прогибов в зоне ячеек сот. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

заключение и общие выводы по диссертационной работе

Совокупность разработанных в диссертационной математических моделей для расчета трехслойных панелей из композитов с минимальными локальными прогибами несущих слоев в зоне ячеек, а также практические результаты внедрения позволяют сделать следующие выводы по работе:

1. В представленной работе решена важная задача, направленная на повышение качества конструкторско-технологических решений трехслойных сотовых панелей солнечных батарей за счет уменьшения величины локальных прогибов несущих слоев.

2. Разработаны модели, позволяющие установить влияние геометрических параметров и механических свойств материалов, а также технологических параметров изготовления панели, на уровень локальных прогибов несущих слоев.

3. Показано, что для снижения прогибов несущих слоев во всех случаях следует уменьшать длину стороны ячейки сот и толщину фольги, выбирать материалы сотового заполнителя с низким КЛТР и невысоким модулем упругости, в случае термически уравновешенных несущих слоев следует увеличивать угол раствора ячейки,

4. Установлено, что для снижения прогибов несущих слоев следует использовать несущие слои из высокомодульных материалов на связующих, полимеризующихся при невысоких температурах. Уменьшения прогибов можно добиться изменением схемы армирования несущих слоев, в том числе путем целенаправленного использования термически неуравновешенных структур.

5. Показано, что для снижения прогиба несущих слоев следует проводить склеивание панели при пониженных температурах, для чего использовать клеи, имеющих невысокую температуру полимеризации; строго регламентировать максимальное допустимое давление склеивания; осуществлять тщательный контроль сотового заполнителя на предмет отсутствия перфорации на стенках ячеек.

6. Разработана расчетная программа с библиотеками материалов, которая позволяет сократить процесс выбора рациональных КТР трехслойных панелей с минимальными прогибами несущих слоев. Расчетная программа использована для оценки достоверности разработанных моделей на примере панели солнечной батареи спутника «Модуль-М». Установлено, что сходимость компьютерных решений и экспериментальных панелей по величине прогиба составляет 12. 14%.

7. Результаты диссертационной работы внедрены в форме рекомендаций для разработчиков панелей солнечных батарей на предприятии РКК «Энергия» имени С.П. Королева, где они использовались при выборе рационального варианта панели солнечной батареи спутника связи «Ямал-200».

1. Братухин А.Г., Сироткин О.С. Сабодаш П.Ф. Материалы будущего и их удивительные свойства. - М.: Машиностроение, 1995. -128 с.

2. Калинчев В.А., Буланов И.М. Прогрессивные материалы в машиностроении: Учебное пособие для СПТУ, М.: Высшая школа, 1988,-240 с.

3. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М.: МГТУ им. Баумана, 1998, - 514 с.

4. Цыплаков О.Г. Конструирование изделий из композиционных волокнистых материалов. Л.: Машиностроение, 1984. - 140 с.

5. Композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов: Сборник статей. -М.: Машиностроение, 1975, 272 с.

6. Молодцов Г.А., Биткин В.Е., Симонов В.Ф., Урмансов Ф.Ф. Фор-мостабильные и интеллектуальные конструкции из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 2000, - 352 с.

7. Молодцов Г.А. Напряженные элементы конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1993,- 224 с.

8. Композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов / Под ред. А.Л. Абибова. Машиностроение, 1975. - 272 с.

9. Кобелев В.Н., Коварский Л.М., Тимофеев С.И. Расчет трехслойных конструкций. М.: Машиностроение, 1984, - 304 с.

10. Ю.Панин В.Ф. Конструкции с сотовым заполнителем. М.: Машиностроение, 1982, - 152 с.

11. П.Панин В.Ф., Гладков Ю.А. Конструкции с заполнителем. М.: Машиностроение, 1984, - 266 с.

12. Оценка прочности, устойчивости и весовой эффективности трехслойных сотовых панелей с углепластиковыми обшивками / Анд-риенко В.М., Душин М.И., Толстобров Е.П. и др. Тр. ЦАГИ, 1977, Вып. 1825,-с. 3-30.

13. Берсудский В.Е., Крысин В.Н., Лесных С.И. Производство слоистых конструкций. М.: Машиностроение, 1966, - 282 с.

14. Берсудский В.Е., Крысин В.Н., Лесных С.И. Технология изготовления сотовых авиационных конструкций. М.: Машиностроение, 1975,-296 с.

15. Кейгл Ч. Клеевые соединения. М.: Мир, 1971, - 194 с.

16. Буланов И.М. Клеевые соединения // Энциклопедия машиностроения. М.: Машиностроение, 1995. - с. 227-245.

17. Крысин В.Н. Слоистые клееные конструкции в самолетостроении. М.: Машиностроение, 1980, - 228 с.

18. Крысин В.Н. Технологические рекомендации по проектированию и изготовлению сотовых конструкций из алюминиевых сплавов и неметаллов: Учебное пособие М.: Изд-во МАИ, 1994.

19. Смирнов A.B. Юсупов P.M. Совмещенное проектирование: необходимость, проблемы внедрения, перспективы. С.-Петербург: СПИИРАН, 1992,-37 с.

20. Семенов Ю.П. Новые российские технологии в ракетно-космической технике последних лет // Вестник Российской Академии Наук, 2000, том 70, N 8 с. 696-709

21. Композиционные материалы: Справочник / Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др.; под общей редакцией В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990, - 512 с.

22. Композиционные материалы. Справочник / Под ред. Карпиноса Д.М. Киев: Наукова думка, 1985, - 592 с.

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

24. Гладков Ю.А. Жесткостные характеристики трехслойных оболочек с жестким заполнителем // Исследования по теории пластин и оболочек 1976, Вып. XI,- с.206-216.

25. Гладков Ю.А. Особенности расчета сотовых конструкций // Теория и практика проектирования пассажирских самолетов. М.: Наука, 1976, - с.278-290.

26. Гладков Ю.А. Исследование прочности и устойчивости трехслойных цилиндрических панелей с жестким заполнителем // Тр. ЦАГИ, Вып. 1815, 1977, с. 31-48.

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

28. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых материалов. -М.: Химия, 1981, 232 с.

29. Гайдачук В.Е., Карпов Я.С., Русин М.Ю. Механика волокнистых композиционных материалов: Учебное пособие X.: Харьк. авиац. ин-т, 1991, - 98 с.

30. Крютченко В.Е. Упругие свойства пластин с сотовым заполнителем с нетрадиционными формами ячеек // Механика композитных материалов, 1997, №2 -с. 187-191.

31. Результаты отработки технологии формования углепластика КМУ-6-36 и примеры его использования // Отчет №310665-086.

32. Кудряшов А.Б., Панин В.Ф. Исследование напряженно-деформированного состояния трехслойных панелей с сотовым заполнителем при поперечном изгибе. Тр. ЦАГИ, 1979, Вып. 2012,-с. 66-73.

33. Щунгский Б.Е. Строительные конструкции с сотовым заполнителем. М.: Стройиздат, 1977, - 112 с.

34. Чернов Ю.Г. Опыт применения сотовых конструкций в крыле самолета // Очерки по истории конструкций и систем самолетов ОКБ имени C.B. Ильюшина, Кн.2 М.: Машиностроение, 1983, -270 с.

35. Зб.Зильберман A.C., Кобелев В.Н. Поперечный изгиб трехслойных свободно опертых пластин, подкрепленных балками. Л.: ЦНИ-ИТС, 1975, вып. 144,- 128 с.

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

37. Прохоров Б.Ф., Дерюшев В.В. Влияние технологических дефектов на несущую способность трехслойных конструкций // Технология судостроения, 1981, №10 с.25-29.

38. Основы проектирования и изготовления конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов / Васильев В.В.,

39. Добряков A.A., Дудченко А.П. и др.- М.: Изд-во МАИ, 1985, -218 с.

40. Технология производства летательных аппаратов из композиционных материалов: Учебное пособие / Гайдачук В.Е., Гречка В.Е., Кобрин В.Н., Молодцов Г.А. X.: Харьк. авиац. ин-т, 1989, - 332 с.

41. Сидоренкова М.А., Сливинский В.И. Технология производства трехслойных сотовых конструкций. Харьков: Харьк. авиац. инт, 1997,-58с.

42. Ендогур А.И., Вайнберг М.В., Иерусалимский K.M. Сотовые конструкции. Выбор параметров и проектирование М: Машиностроение, 1986, - 200 с.

43. Иерусалимский K.M. Несущая способность и оптимальные параметры шарнирно опертых по контуру трехслойных пластин с сотовым заполнителем при сжатии Тр. ЦАГИ, 1986, Вып. 1101, -27 с.

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

45. Александров А.Я., Наумова М.П. Оптимальные параметры трехслойных пластин и оболочек с сотовым заполнителем при сжатии и нагреве // Теория оболочек и пластин. Труды VIII Всесоюзной конференции по теории оболочек и пластин. М.: Наука, 1973, -с. 200-204.

46. Сугаков В.А. Проектирование сжатых трехслойных сотовых конструкций минимального веса с учетом конструктивно-технологических ограничений // Учебные записки ЦАГИ Тр. ЦАГИ, 1974, Том V, №1, - с. 66-76.

47. Алфутов H.A., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1984. - 263 с.

48. Попов Б.Г. Расчет многослойных конструкций вариационно-матричными методами: Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ, 1993.-294 с.

49. Воробей В.В., Морозов Е.В., Татарников О.В. Расчет термонапряженных конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1992,- 238 с.

50. Венгерский В.В., Барт Ю.Я., Кощеев В.А., Клочков М.Б. Выбор проектных решений и диагностика характеристик конструкций из композитных материалов на ранних этапах их создания // Механика композитных материалов, 1990, №4 с. 702-709.

51. Буланов И.М. Синтез конструкторско-технологических решений в задачах проектирования конструкций из композитов // Труды 2-ой международной конференции по механике композиционных материалов, М.: 1999.

52. Буланов И.М., Перфильев С.А. Проблемы синтеза и выбора рациональных конструкторско-технологических решений при создании ГПС целевого назначения // Технологическая подготовка и управление в ГПС. М.: МВТУ, 1987, - с. 12-27.

53. Хаейр М. Механика пластин из несимметричных слоистых композитов. Механика (новое в зарубежной науке) / Под ред. Ишлин-ского А.Ю., Черного Г.Г. М.: Мир, 1987, №44, - с. 143-176.

54. Чернов В.М. Расчет формы несимметричных пластин из слоистых композиционных материалов // Межотр. научн.-техн. сб. «Технология». Сер. Конструкции из композиционных материалов М.: ВИМИ, 1995, Вып.2. - с. 3-8.

55. Субботин В.А. Тенденции развития солнечных батарей в Украине // Технология специального приборостроения. Специальный выпуск, 1997,-с. 19-20.

56. Летин В.А. Заявлин В.Р., Губанова И.А. Солнечные батареи. Вопросы деградации / Электротехническая промышленность. Сер. 22. Источники тока. Обзорная информация. М.: Информэлектро, 1988, Вып. 13 - 44 с.

57. Астахов М.Ф. и др. Справочная книга по расчету самолета на прочность. М.: Оборонгиз, 1954, - 707 с.

58. Александров A.B., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2000, - 560 с.

59. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела, Изд. 2-е, -М.: Наука, 1977,-416 с.

60. Прочность, устойчивость, колебания. Том 3. Справочник в трех томах под ред. И.А. Биргера и Я.Т. Пановко. М: Машиностроение, 1968,-567 с.

61. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики. Справочник Киев: Наукова думка, 1983, - 864 с.

62. Лехницкий С.Г. Анизотропные пластинки. M.-JL: Гостехиздат, 1957,-355 с.

63. Богомольский М.А. Автоматизированное проектирование авиационных конструкций. Этап предварительного проектирования. -Казань: КАИ, 1982,-68 с.

64. Осин М.И. Методы автоматизированного проектирования летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1984, - 176 с.

65. Буланов И.М. Автоматизированное формирование совместных КТР труб на ранних стадиях проектирования // Применение пластмасс в машиностроении. (М.). 1987, - №22. - с. 21-43.

66. Буланов И.М., Курносов P.P. Конструкторско-технологическое проектирование трехслойных панелей из композиционных материалов // Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение -М.: МГТУ им. Баумана, 2000, Вып.4 (41) с. 3-14.

67. Алямовский А.И., Буланов И.М., Курносов P.P. Влияние геометрии сотового заполнителя на образование утяжек несущих слоев трехслойных панелей из композитов // Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение М.: МГТУ им. Баумана, 2001, Вып.З (44)-с. 3-14.

68. Буланов И.М., Курносов P.P. Совмещенное конструкторско-технологическое проектирование панелей солнечных батарей из КМ // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Слоистые композиционные материалы -98». Волгоград, 1998.

69. Буланов И.М., Курносов P.P. Разработка моделей для системы совмещенного проектирования трехслойных панелей солнечных батарей из композитов // Обзор. М: НИИ Высшего Образования, 1999.

70. Буланов И.М., Курносов P.P. Модели совмещенного проектирования композитных конструкций на ЭВМ // Труды 2-ой международной конференции по информационным технологиям. Гренобль, 2000.