автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка углепластиковой стержневой системы разделения продольного стыка головных обтекателей

ВВЕДЕНИЕ

1.Конструктивно-технологические особенности стержневых систем разделения продольного стыка головных обтекателей (ГО).

1.1 .Штатные системы.

1.2.Механический шариковый замок.

1.3 .Комбинированные металло-углепластиковые тяги.

1.4.Обзор работ; постановка задачи.

2.Технология изготовления металло-углепластиковых стержней - тяг из предварительно формованных элементов (ПФЭ).

2.1 .Изготовление ПФЭ на оправке.

2.2.Сборка ПФЭ в стержень.

2.3.Экспериментальная отработка.

2.4.Технологическая оснастка.

3.Выбор конструктивных параметров стержневой системы разделения. 3.1 .Динамические нагрузки на тяги.

3.2.Регулярная часть углепластиковош стержня.

3.3.Узлы стыка углепластикового стержня с алюминиевой и титановой законцовками.

3.4.Регулировка шарикового замка стержневой системы разделения в зависимости от деформационных, технологических, температурных и установочных смещений.

4.Испытания комбинированных стержневых систем разделения.

4.1.Несущая способность металло-углепластикового стержня-тяги.

4.2.Функционирование шарикового замка при ожидаемых эксплуатационных перемещениях корпуса ГО и цепочки тяг от аэродинамического и температурного воздействий.

Композиционные материалы широко применяются в современных конструкциях авиационной и ракетно-космической техники для обеспечения массового совершенства изделий. В первую очередь композиты используются в обол очечных корпусных агрегатах изделий: обтекатели, проставки, баки. Здесь достигается наибольший выигрыш в весе. Однако необходимость крепления к корпусам различных узлов и деталей выдвигает дополнительные требования к последним и в частности по деформативности. Так стержневая система разделения головных обтекателей (из алюминиевых сплавов), эксплуатируемых на ракете-носителе «ПРОТОН», устанавливается на трехслойных углепластиковых и стеклопластиковых обшивках корпусов. Различие материалов стержней и обшивок по коэффициенту линейного расширения может приводить, при нагреве космической головной части, к несанкционированному преждевременному срабатыванию корневых шариковых замков продольного стыка головного обтекателя. Поэтому практический интерес представляет замена алюминиевых стержней-тяг на углепластиковые и соответствующая регулировка шариковых замков. Решению этой задачи и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель диссертации состоит в разработке технологии изготовления металло-углепластиковых стержней-тяг продольной системы разделения головных обтекателей, в теоретическом и экспериментальном обосновании их несущей способности и возможности регулировки шариковых замков, выборе конструктивных схем стержней и гарантированных параметров шариковых замков.

Научную новизну работы составляют:

1. Конструктивно-технологическое решение углепластикового стержня-тяги с алюминиевой и титановой законцовками, основанное на технологии изготовления стержня из ПФЭ, выборе рациональных параметров законцовок и использовании способа сборки - склейки.

2. Подход к проектированию углепластиковой стержневой системы разделения продольного стыка ГО, включающий компьютерные программы расчета и оптимизации структуры композиционного материала регулярной части стержня и зон соединений законцовок со стержнем, модель динамической устойчивости стержней при осевом ударе, методику расчета допусков и регулировки шарикового замка.

3. Результаты экспериментального исследования несущей способности металло-углепластикового стержня-тяги при растяжении-сжатии и устойчивости функционирования шарикового замка при ожидаемых эксплуатационных перемещениях корпусов ГО и цепочки тяг от аэродинамического и температурного воздействий.

Публикации и апробация работы. Результаты исследований отражены в работах [14, 35] и докладывались на конференциях:

1. Научно техническая конференция ГКНПЦ им. М.В.Хруничева. Москва, 1998 г.

2. XIX Российская школа по проблемам проектирования неоднородных конструкций. г.Миасс, 1999г.

3.НТС департамента «Химия и технология композиционных материалов» Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского 2000 г.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 .Предложена углеплаетиковая стержневая система разделения продольного стыка головных обтекателей ракет-носителей, обеспечивающая надежное функционирование как эксплуатируемых, так и перспективных крупногабаритных углепластиковых головных обтекателей за счет снижения температурных деформаций стержней и чувствительной настройки шариковых замков.

2.Дано конструктивно-технологическое решение комбинированного металло-углепластикового тонкостенного стержня малого диаметра, основанное на предварительном формовании продольных сегментов стержня с последующей их сборкой на профилированных законцовках путем кольцевой наружной намотки.

3 .Предложен компьютерный метод проектирования комбинированных металло-углепластиковых стержней, включающий известные программы GeCAD, Bard для регулярной части, модернизированную программу KL-1M для переходных зон и методику определения динамических нагрузок на стержни в момент срабатывания системы разделения.

4.Разработана методика регулировки шарикового замка стержневой системы разделения головного обтекателя, учитывающая перепад температур, технологические допуски на изготовление элементов механического замка и на установку рычага замка, деформации корпуса обтекателя под действием аэродинамических нагрузок.

1. ТАРНОПОЛЬСКИЙ Ю.М., РОЗЕ А.В. Особенности расчета деталей из армированных пластиков. Рига, Зинатне, 1969 Г.-274 с.

2. 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 г. №1 - С.87-90.

3. ТАРНОПОЛЬСКИЙ Ю.М., ХИТРОВ В.В. Стержни из композитов для ферменных конструкций (обзор) //Механика композитных материалов. 1986 г. №2. С.258-268.

4. АБИБОВ АЛ. Композиционные материалы, процессы и оборудование для механизированного формования элементов корпусных конструкций. Обзор. Л., ЦНИИ «Румб», 1977 г. - 77 с.

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

6. БУЛАНОВ И.М., ВОРОБЕЙ В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учебник для вузов.М.: издательство МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1998 г. 516 с.

7. КРЫСИН В.Н., КРЫСИН М.В. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций. М.: Машиностроение , 1989 г. - 240 с.

8. Композиционные материалы: Справочник / В.В.ВАСИЛЬЕВ, В.Д.ПРОТАСОВ, В.В.БОЛОТИН и др. М.: Машиностроение, 1990 г. -512 с.

9. Справочник по композиционным материалам: В 2 кн./ Пер. с анг. А.Б.ГЕЛЛЕР А и др.: Под ред. Дж. ЛЮБИЛА. -М.: Машиностроение, 1988 г.-584 с.

10. 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 г. №5. - С.941-943.

11. АККУРАТОВ И.Л., ВАСИЛЕВСКИЙ В.М., ПЕПЕЛИЛ B.C., ШЕМШУРИН М.В., ТАРНОПОЛЬСКИЙ Ю.М. Законцовка стержня из композиционного материала. Авторское свидетельство №220523, 1984 г.

12. ВОРОБЕЙ В.В., СИРОТКИН О.С. Соединения конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1985 г. 166 с.

13. ЕГОРОВ В.Н., АККУРАТОВ И.Л., ОЛЕНИН И.Г. Конструктивные особенности составных металлокомпозитных стержней рам и ферм //Авиационная промышленность. 1997 г. - №3-4. - С.9 -11.

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

15. ЕГОРОВ В.Н. Расчетные модели комбинированных соединений в конструкциях летательных аппаратов // Авиационная промышленность. -1995 г. -№5-6.-С.8-16.

16. НОВИКОВ В.В., СУХАНОВ А.В., ЛАПОТКИН В.А. Соединения в стержневых конструкциях из композитов // Обзор №5216 / ЦНИИИ и ТЭИ. М. - 1991 г.-118 с.

17. 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 г.

18. ЩЕРБАКОВ В.Т., ЦЫБИН Э.В., СОЛОВЬЕВА С.П. Конструкция и технология изготовления тяг управления из композиционных материалов // Авиационная промышленность. 1989 г. - №8. - С. 7 - 10.

19. Основы проектирования и изготовления конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов / ВАСИЛЬЕВ В.В., ДОБРЯКОВ А.А., ДУДЧЕНКО А.П. и др. М.: издательство МАИ, 1985 г. - 218 с.

20. ДАНИЛОВА И.Н., СОКОЛОВА Т.В., КАРПЕЙКИН И.С. Влияние анизотропии материала на жесткость и прочность углепластиковых труб при кручении // Авиационная промышленность. 1976 г. - №9. - С.57 -59.

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

22. ЛЕХНИЦКИЙ С.Г., Кручение анизотропных и неоднородных стержней. -М., Наука, 1971 г.-240 с.

23. ОБРАЗЦОВ И.Ф., ВАСИЛЬЕВ В.В., БУНАКОВ В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1977 г. - 144 с.

24. Прочность, устойчивость, колебания: справочник в 3 томах / Под ред. И.А.БИРГЕРА, Я.Г.ПАНОВКО. М.: Машиностроение, 1968 г.

25. СУХАНОВ А.В., ЛАПОТКИН В.А. Проектирование стержневых пространственных конструкций из композитов. Аналитический обзор №4656. М.: ЦНИИИ. - 1988 г. - 72 с. ДСП.

26. ФРЕГЕР Г.Е., ИГНАТЬЕВ Б.Б., ЧЕСНОКОВ В.В. и др. Термические напряжения в стержневых изделиях из композитов, изготовленных методом спиральной обмотки // Механика композитных материалов. 1987 г. - №2. -С.305-309.

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

28. ХИТРОВ В.В., АККУРАТОВ И.Л. Несущая способность клееных стержней из предварительно формованных элементов // Механика композитных материалов. 1988 г. - №1. - С. 94-99.

29. ХИТРОВ В.В., ЛАПОТКИН В.А., СУХАНОВ А.В. Несущая способность многослойных составных трубчатых стержней из композитов // Механика композитных материалов. 1990 г. - №1. - С.85-92.

30. АНИСКЕВИЧ Н.И., МАЛМЕЙСТЕР А.А., ЯНСОНС Ю.О. Методика испытаний трубчатых образцов из полимерных материалов при сложном напряженном состоянии в условиях температурного воздействия // Механика композитных материалов. 1984 г. - №1. - С.131-135.

31. ЕГОРОВ В.Н. Комплекс программ KL-1 для проектирования соединений внахлест композиционных стержней и цилиндрических оболочек // Вестник машиностроения. 1996 г. - №5. - С. 17-19.

32. НАЗАРОВ Г.И., СУШКИН В.В., ДМИТРИЕВСКАЯ Л.В. Конструкционные пластмассы. -М.: Машиностроение, 1973 г. 192 с.

33. ЕГОРОВ В.Н., АККУРАТОВ И.Л., ОЛЕНИН И.Г. Технология изготовления углепластиковых стержней-тяг малого диаметра.// XIX Российская школа по проблемам проектирования неоднородных конструкций: Тезисы докладов, г.Миасс, 1999г.

34. ЕГОРОВ В.Н.,САБОДАШ П.Ф.,ОЛЕНИН И.Г. Математические модели деформирования стержневых систем при динамических силовых и тепловых воздействиях.// Авиационная промышленность, 2000 г.-№3- С. 100 102.

35. УСЮКИН В.И. Строительная механика конструкций космической техники: Учебник. -М.: Машиностроение, 1988. -392 с.