Введение к работе
Актуальность работы. Среди известных конструкций баллонов высокого давления (БВД) — в космической технике (КТ), для хранения инертных газов — нашли применение металлокомпозитные баллоны высокого давления (МК БВД) как баллоны, обладающие на сегодня наибольшим коэффициентом весовой эффективности — важнейшим показателем для ракетно-космической техники.
Успешная эксплуатация данных баллонов возможна при правильном их
проектировании, конструировании и изготовлении. Накопленный опыт показал,
что к рациональным конструкциям МК БВД можно отнести баллоны с
алюминиевым сварным лейнером и намотанной на него углепластиковой
оболочкой. Такие баллоны способны выдерживать высокие статические и
малоцикловые нагружения внутренним давлением, если они оптимально
спроектированы и качественно изготовлены. По расчету и технологии
изготовления МК БВД существует много теоретических и экспериментальных
исследований, включая практические рекомендации по производству. Однако до
сих пор не решены вопросы устойчивости лейнера в процессе производства МК
БВД, испытаний и последующей эксплуатации. Поэтому задача о
деформировании металлического сварного лейнера в составе МК БВД для КТ является актуальной.
Степень разработанности темы исследования. В настоящее время отсутствуют методики, которые позволяют оценить объемное напряженно-деформированное состояние металлического сварного лейнера в составе МК БВД в процессе производства, испытаний и эксплуатации и рассмотреть задачу деформирования лейнера с учетом конструктивно-технологических отклонений, в режиме текущего времени.
Объект исследования. Объектом исследования является цилиндрический МК БВД с алюминиевым сварным лейнером и многослойной (композитной) оболочкой для КТ.
Цель работы — повышение надежности металлокомпозитных баллонов высокого давления для космической техники за счет определения условий
устойчивости лейнера при наличии производственных конструктивно-
технологических отклонений.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Определить напряженно-деформированное состояние МК БВД при двусторонней связи лейнера и композитной оболочки (КМО) с учетом пластических свойств лейнера и анизотропии материала КМО.
-
Разработать методику численного анализа устойчивости лейнера внутри КМО при начальных несовершенствах в виде технологических отклонений — местных изменений толщин лейнера и КМО.
-
Применить объемные конечные элементы (КЭ) в программном комплексе LS-DYNA для расчета на устойчивость однородного лейнера, окруженного жесткой изотропной обоймой, при температурном прессовом нагружении.
4. Применить объемные КЭ в программном комплексе LS-DYNA для
расчета на устойчивость сварного лейнера внутри многослойной композитной
оболочки при нагрузке баллона внутренним давлением с последующей разгрузкой
и дополнительной опрессовкой.
5. Экспериментально исследовать возможность получения полноразмерного
сварного шва в соединении тонких алюминиевых листов методом СТД (сварка
трением с помощью дискового инструмента).
6. Провести анализ устойчивости сварного лейнера в МК БВД при
прессовом нагружении и при нагрузке—разгрузке.
Методы и средства исследования. При решении поставленной задачи были использованы: теория тонкостенных оболочек, теория деформируемого твердого тела, механика композитных конструкций, метод конечных элементов, методы компьютерного моделирования в программных комплексах — SolidWorks, Patran/Nastran, Femap/Nastran, LS-DYNA.
Научная новизна заключается в применении объемной конечно-элементной модели лейнера и КМО в программном комплексе LS-DYNA (динамическая постановка), позволяющей определять трехмерное напряженно-4
деформированное состояние, рассматривать процесс деформирования лейнера в режиме текущего времени, учитывать технологические отклонения, возникающие при изготовлении лейнера и КМО.
Основные научные результаты состоят в следующем.
-
Разработана и научно обоснована расчетная модель упругопластического деформирования лейнера в центральной проблемной зоне цилиндрического МК БВД.
-
Дана методика приближенной оценки по арочной схеме устойчивости цилиндрического лейнера при опрессовке в жесткой обойме.
-
При конечно-элементном расчете в программном комплексе LS-DYNA процесса деформирования лейнера, окруженного КМО, в качестве начальных несовершенств предложено выбирать технологические отклонения в виде локальных (местных) вырезов и выступов в лейнере и КМО.
-
Осуществлено объемное конечно-элементное моделирование в программном комплексе LS-DYNA цилиндрической части МК БВД с односторонней связью лейнера и КМО, отражающее трехмерное напряженно-деформированное состояние, изменение его в режиме текущего времени, начальные несовершенства конструкции.
-
Показана потеря устойчивости лейнера в составе МК БВД с позиций непрерывного деформирования с учетом неоднородных и анизотропных свойств конструкции и эффекта днищ.
-
Экспериментально установлена возможность получения полноразмерного сварного шва в тонких алюминиевых листах методом СТД.
Практическая значимость работы определяется предложенной методикой
расчета на устойчивость сварного лейнера при намотке на него композитной
оболочки и при нагрузке—разгрузке МК БВД во время испытаний и
эксплуатации; возможностью использования при проектировании баллонов
результатов исследования деформированного состояния МК БВД с учетом
неоднородных и анизотропных свойств конструкции; программами
компьютерного расчета устойчивости лейнера. Экспериментально установлено получение полноразмерного шва алюминиевых листов при СТД.
Положения, выносимые на защиту:
-
Расчетная модель деформирования лейнера в составе МК БВД.
-
Методика расчета на устойчивость цилиндрического сварного лейнера в КМО и в жесткой обойме.
-
Расчетная схема деформирования лейнера внутри жесткой обоймы на базе объемных конечных элементов в программном комплексе LS-DYNA.
4. Расчетная схема деформирования неоднородного лейнера внутри
анизотропной неоднородной КМО на основе объемных конечных
элементов в программном комплексе LS-DYNA.
-
Результаты численного анализа устойчивости лейнера в МК БВД.
-
Возможность получения полноразмерного сварного шва в тонких листах при СТД.
Достоверность положений и выводов, приведенных в диссертации, обосновывается применением математических моделей, основанных на классических соотношениях теории упругости и пластичности, механике композитных конструкций, согласованностью результатов расчетов с данными экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях [1–4, 20–22]:
Всероссийская научно-техническая конференция «Механика и
математическое моделирование в технике», посвященная 100-летию со дня
рождения Героя Социалистического труда, лауреата Ленинской и
Государственной премий СССР, члена-корреспондента АН СССР, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук Всеволода Ивановича Феодосьева. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016;
14-я Международная конференция «Авиация и космонавтика–2015», Москва, МАИ, 16–20 ноября 2015 г.;
Всероссийская научная конференция «Механика композитных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред». Москва, ИПРИМ РАН, 15–17 декабря 2015 г.;
Общеуниверситетская научно-техническая конференция «Студенческая научная весна–2014». Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1–30 апреля 2014 г.;
12-я Международная конференция «Авиация и космонавтика–2013». Москва, МАИ, 12–15 ноября 2013 г.;
XVIII Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС’2013), 22–31 мая 2013 г., Алушта;
33-я ежегодная научно-практическая конференция «Композиционные материалы в промышленности (Славполиком–2013)», 27–31 мая 2013 г., Ялта.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, из них 5 печатных работ в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ. Получено 3 патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов (заключения), списка использованной литературы, включающего 102 наименования научных трудов на русском и иностранных языках. Работа изложена на 114 страницах, содержит 71 иллюстрацию и 5 таблиц.