Введение к работе
Актуальность проблемы. Б последнее фемя в России и за рубежом разработчики космической техники стремятся повысить Эффективность работы научной аппаратуры, средств космической связи и высокоточных оптико-электронных комплексов за счет размеоэния их элементов на несущих конструкциях, обладающих размерной стабильностью, т. е. обеспечивающих с высокой точностью неизменность расположения приборов и оборудования при всех видах эксплуатационных воздействия'.. С- появлением* мощных носителей прослеживается тенденция к существенному возрастанию габаритов равмеростабильных несущих конструкции. Выполнение * таких конструкций в виде стержневых ферм обеспечивает минимум их масса Примерами таких конструкций могут служит» разме-ростаСидьные фермы контррефлекторов высокоточных антенн, космической связи и оптических телескопов, размеростабильные фермы крепления телескопов и размеростабильных платформ.
Раамероетабилькые фермы характеризуются низким уровнем нормальных напрядений в элементах как при силовом, так и при температурном воздействии, которое является основным в.процессе эксплуатации. Чфименение в стержнях традиционных для извели* космической техники материалов, таких, как сплавы титана и алюминия, а также сплавов типа "инвар" не позволяет комплексно решить задачу снижения массы и обеспечения размерной стабильности из-за невысоких значений удельных яесткостных характеристик и существенной термической деформативности этих материалов. Только применение композитных материалов на основе углеродных'волокон или их гибридов дает возможность решить
- 4 -~ проблему доедания размерсстабидькых конструкций. 'Однако, на практике выигг-ыице весе от применения композитов получается я& столь существенным из-за наличия у&лов соединений. При этом общая деформативиостъ ферм оказывается также выше, чем та, которую теоретически можно обеспечить, применяя композиционные материалы. К узлам соединений следует отнести соединения ком-побитного стержня и металлической закокцоски, я.така» групповой узел, объединяющей отдельные стержни в ферменную конструкцию. Для обеспечения размерной стабильности ьахко раеделить вклад каждого иг этих соединений в общую деформативкосгь.
Учитывая эти обстоятельства и перспективы исполаговзнкя размеростабилъных ферм, задачу создания и отработки узлов соединений для этого класса конструкций можно считать актуальной и важной в прикладном отношении. . .
Цель работы состоит в создании на основе, экспериментального и теоретического изучения напряженно-деформированного состояния узлов соединений; позволяющих снизить обпуи де^орма-тивность и обеспечить размерную стабильность стержневых элементов из композитов в широком диапазоне нагрузок и,, темпера-, тур, для получения из таких стержней раамеростабидьных .круано-габаритных ферменных конструкций.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработаны методики и приспособления для экспериментальной оценки деформативных свойств композитных стержней с концевой арматурой при простых и сложном нагружениях.
-
Проведены экспериментальные исследования особенностей деформирования различных типов узлов соединений, обеспечивающих получение размерной стабильности стержней из композитов.
- 5 -3. На основе численного анализа параметров деформирования изучены "возможности целенаправленного управления размерной стабильностью стержней с соединениями кар; Основных элементов крупногабаритных ферменных конструкции.
-. 4. Проведена численная оптимизация конструктивных параметров узлов соединений с использованием полученных. экспериментальных данных.
Научная новизна определяется предложенными методиками испотакий и экспериментальными результатами, позволиввими выявит* особенности деформирования компогигных стержней на участках соединений при простых и сложном нагруженная. К ним относятся неупругость и нелинейность ка кривой нагругка-переме-щэние, асимптотическое поведение наблюдаемого смещения при нагрузках близких к предельным, восстановление жесткости при повторных нагружениях. Выявлены конструктивно-технологические способы,позволявшие устранить перечисленные явления и обеспечить размерную стабильность композитных стержней в ваданном диапазоне нагрузок и температур.
Предложена модель расчета композитного стержня на участке соединения, как толстой трехслойной цилиндрической оболочки. Для этого построена разрешающая система уравнений, учитывающая слоистость структуры, переменную толщину слоев, их конструктивную неоднородность, переменную метрику в отдельных слоях (или в пакете в целом), температуру.
Предложен численный метод решения такой системы для стержня как для составной оболочки.
Разработан модифицированный алгоритм численнойоптимизации конструктивных параметров соединений статистическим методом, который позволяет повысить скорость счета.
- б -
Достоверность результатов определяется использованием при экспериментальных исследованиях оборудования с высокими метрологическими характеристиками. Е экспериментах исследован статистически представительный объем образцов.. Имеется соответствие между полученными характеристиками материалов образцов и результатами других авторов.
Достоверность решения теоретической задачи подтверждается
сходимостью общего решения к ранее полученным на основе упро
шенных постановок. Численный анализ уравнения проведен с по
мощью хорошо апробированного метода прогонки А. А. Абрамова.
Для приведения общей системы нагругок, приходящихся на фермен
ную конструкцию, к нагрузкам на отдельный стержень был исполь
зован метод конечных элементов. Оптимизация конструктивных па
раметров соединений осуществлялась универсальным методом !*>н-
те-Карло. ,
Отмечается кореляция между результатами теоретического
анализа по учету деформатйвности углов соединений и .экспери
ментальными данными. .'
Практическая значимость работы. Экспериментальные данные
по обшей и местной деформатйвности узлов соединений' были 1.0-
пользовакы при проектировании стермневых элементов из КМ,
подвергающимся статическим и тепловым Бездействиям в ЦНИИСМ г.
Хотьково. /
Предложнкые методики расчета и обслуживающий их комплекс программ могут найти применение при проектировании, а также на этап? поверочных расчетов на прочность и жесткость элементов соединений в конструкциях из КМ для повышения их эксплуатационных характеристик.
Ряд найденных конструктивно-технологических рекений под-
- 1 - ходит для практического использования.
Апробация работы. Основные результаты доложены и сбеужде-
,кы на: .
I Всесоюзном соаеинии "Применение полимерных КМ в машиностроении (г. Ворошиловград, 1987 г.)j
III Республиканской конференции "Новые материалы в стрс тельстве" (г. Рига, РПИ, 1938 Г.);
XII научно-технической конференции «У и С МАТИ (г. Москва, МАТИ, 1938 г.);
IV конференции по механике композитов (г. Севастополь, 1В88Г.);
XX Гагаринских чтениях МГАТУ им. К.З. Циолковского (г. Москва, 1994, г.).
Структура и объем работа Диссертация состоит из введения, четырех глав с.выводами, заключения, включаодэго основные результаты и выводы по работе, списка литературы. Работа изложи» на Д.Ч1 страницах машинописного текста; количество рисунков - .rrr.. \ библиографических наименований - .4..'
