Введение к работе
Цель работы - рациональное проектирование агрегатов силовых конструкций летательных аппаратов с учетом физической нелинейности.
Актуальность темы. При проектировании агрегатов силовых конструкций современных и перспективных, в том числе гпперзвуковых, летательных аппаратов (ЛА) в связи с высокими требованиями к их весовому совершенству отклонение от линейной модели поведеній материала, обусловленное пластичностью, прогревом и другими факторами, является существенным моментом, определяющим параметры конструкции. Традиционно при решении задач прочности ЛА нелинейные эффекты учитывались на основе метода редукционных коэффициентов и его модификаций. В связи с появлением и широким распространением более точного и современного метода конечных элементов (МКЭ) для расчета на ЭВМ напряженно-деформированного состояния конструкций с учетом физической нелинейности имеется потребность и необходимость в исследовании задач оптимизации и разработке методов рационального проектирования агрегатов силовых конструкций с учетом физической нелинейности на основе МКЭ. Для разработки указанных методов необходимо создание теоретических основ оптимального проектирования агрегатов силовых конструкций с учетом физической нелинейности.
Выполненная работа представляет собой часть плановых научно-исследовательских работ ЦАГИ.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые результаты:
разработаны теоретические основы оптимизации и рационального проектирования статически нагруженных агрегатов силовых конструкций с учетом физической нелннейности типа пластичности, стационарной ползучести и нелинейной голономной связи напряжение-деформация;
получены условия оптимальности для статически нагруженных физически нелинейных пшерупругих конструкций;
доказан принцип равнонапряженностн оптимальной физически нелинейной гиперупругой однократно статически нагруженной конструкции;
доказано утверждение об экстремальных свойствах жесткости
(объема материала) равнонапряженной физически нелинейной
гпперупругон фермы;
. доказано утверждение о статической определимости равнонапряженной физически нелинейной гпперупругон фермы, двутавровой (трехслойной) балки и балки сплошного прямоугольного сечения заданной высоты;
показано, что теорема Максвелла о равнопрочной ферме справедлива для физически нелинейных гиперупругах ферм;
показано, что теорема Мичелла о ферме оптимального очертания справедлива для физически нелинейных гиперупругах ферм;
показано, что теорема Прагера о единственности фермы Мичелла в случае учета кинематических краевых условий справедлива для физически нелинейных пшерупругих ферм;
доказано утверждение об экстремальных свойствах жесткости физически нелинейной пшерупругой фермы Мичелла;
на основе полученных теоретических результатов разработаны методы и алгоритмы рационального проектирования (на базе МКЭ) статически нагруженных агрегатов силовых конструкций с учетом физической нелинейности типа пластичности, стационарной ползучести н нелинейной голономной связи напряжение-деформация;
проведены численные параметрические исследования по рациональному проектированию агрегатов силовых конструкций, в том числе конструкций ЛА, с учетом физической нелинейности.
Научная и практическая ценность работы. Проведен последовательный и глубокий теоретический анализ различных аспектов оптимального проектирования статически нагруженных агрегатов силовых конструкций с учетом физической нелинейности. На основе полученных теоретических результатов разработаны численные методы и алгоритмы рационального проектирования. Созданные методы дают возможность решать широкий круг задач по рациональному проектированию агрегатов и узлов современной и перспективной авиакосмической техники с учетом физической нелинейности. Предложенные численные алгоритмы обладают достаточно высоким быстродействием и надежностью при отыскании рационального решения.
Реализация исследований. Разработанные методы использованы в ЦАГИ при выполнении проектировочных исследований агрегата конструкции спортивного самолета.
Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором и частично в соавторстве с Чеховым В.В. Так, результаты, касающиеся дискретизированных конструкций в подразделах 3.1 и 4.1, получены в соавторстве с Чеховым В.В., при этом автору принадлежат основные шеи постановок и доказательств.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференции стран НАТО "Оптимизация больших конструкций" (Берхтесгаден, Германия, 22 сентября - 4 октября 1991 г.), на семинаре куста прочности ЦАГИ, на семинаре в Институте проблем механики РАН, на Второй Европейской Конференции по механике твердого тела (Генуя, Италия, 12-16 сентября 1994 г.), на международной конференции по фундаментальным исследованиям в аэрокосмичесхой науке (ЦАГИ, Жуковский, Россия, 19-22 сентября 1994 г.), на Первом Всемирном Конгрессе по многодисшшлпнарному анализу и оптимизации конструкций (Гослар, Германия, 28 мая - 2 нюня 1995 г.), на Девятнадцатом Международном Конгрессе по теоретической и прикладной механике (Киото, Япония, 25-31 августа 1996 г.), на семинаре "Энергетические методы в проектировании авиационных конструкций" (Самарский аэрокосмический университет, Самара, октябрь 1996 г.).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 18 печатных работ, из которых 4 - тезисы выступлений на научных конференциях. Восемь работ опубликовано в русскоязычных научных изданиях, в том числе 2 - в русскоязычных журналах. Десять работ опубликовано за рубежом, из них 4 - в зарубежных журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа, состоящая из шести разделов и Заключения, содержит 226 страниц основного текста, включая 47 рисунков, 25 таблиц и список литературы нз 291 наименования.