65515

МЕТОД РОЗРАХУНКУ ТЕМПЕРАТУРНОГО НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ КОМПОЗИТНИХ СТРИНГЕРІВ ПАНЕЛЕЙ ОБШИВКИ

Автореферат

Астрономия и авиация

Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому: уперше виявлено і обґрунтовано механізм виникнення згинально-крутильних деформацій композитних стержнів з неоднорідним перерізом при зміні температури та або внаслідок усадки...

Украинкский

2014-07-31

1.26 MB

1 чел.

PAGE  18

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Тараненко Ігор Михайлович

УДК 629.735

МЕТОД РОЗРАХУНКУ

ТЕМПЕРАТУРНОГО НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ

КОМПОЗИТНИХ СТРИНГЕРІВ ПАНЕЛЕЙ ОБШИВКИ

Спеціальність 05.07.02 – проектування, виробництво та випробування

літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:                 доктор технічних наук, професор

Карпов Яків Семенович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний

інститут”, завідувач кафедри авіаційного

матеріалознавства.

Офіційні опоненти:                  доктор технічних наук, професор

Малков Ігор Владиславович,

Східноукраїнський національний університет

ім. В. Даля Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри графічного

та комп’ютерного моделювання;

кандидат технічних наук

Філь Сергій Андрійович,

Державне підприємство “Антонов”,

начальник відділу.

Захист відбудеться 27 січня 2011 р о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 в Національному аерокосмічному університеті “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий ”24” ”_грудня__” 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради          О.М. Застела


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основною метою розвитку сучасних літальних апаратів (ЛА) є зниження їхньої маси та підвищення несучої здатності. Один із шляхів вирішення цієї проблеми – більш раціональний розподіл матеріалу конструкції відповідно до діючих навантажень. Особливо це важливо при використанні композитних матеріалів у силовій конструкції літальних апаратів (балках, елементах крил, фюзеляжі та ін.).

У процесі виготовлення виробів з полімерних композиційних матеріалів (КМ) через наявність температурних та усадкових явищ у довгомірних елементах виникає складний згинально-крутильний стан, що спричиняє значні напруження та переміщення точок контуру перерізу. Таким чином, після виготовлення силовий елемент не відповідає конструкторському кресленню та виявляється додатково навантаженим, тому проблема прогнозування та зниження ступеня жолоблення контуру стержнів є особливо актуальною.

У зв’язку з тим, що номенклатура профілів перерізів силових елементів ЛА є дуже велика, виникає необхідність розроблення методики оцінювання температурного напружено-деформованого стану (НДС) у цих елементах. Експериментальні дослідження такого роду ефектів пов’язані з використанням дорогих матеріалів, енергоємного технологічного обладнання, до того ж різноманіття усіх структур пакетів і матеріалів охопити неможливо. Тому розроблення уточнених методик визначення НДС композитних профілів авіаційних конструкцій та рекомендацій для виробників є актуальним. Вирішення цих задач дозволяє знизити масу елементів ЛА та підвищити їхню несучу здатність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України у рамках держбюджетних тем науково-дослідних робіт передбачених планами Міністерства освіти і науки України (Г407-21/00 № д/р 0103U004090, Г407-32/03 № д/р 0100U003449) на кафедрі авіаційного матеріалознавства ХАІ, а також у рамках науково-дослідницьких робіт з ДП “Антонов“.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення вірогідності розрахунку напружено-деформованого стану композитних стержнів з неоднорідним перерізом шляхом урахування температурної складової технологічного та (або) експлуатаційного характеру та обґрунтування на цій основі конструктивно-технологічних рішень структури композиційного матеріалу елементів повздовжнього підкріплення панелей обшивки з регламентованим переднапруженим станом.

Для досягнення поставленої мети треба вирішити ряд таких завдань:

– розробити фізично обґрунтований механізм виникнення складного згинально-крутильного деформування довгомірних профілів із анізотропних матеріалів з неоднорідним перерізом, що виникає через температурні або усадкові явища;

– синтезувати модель тонкостінного анізотропного профілю, за допомогою якої визначити зусилля, що виникають у елементах профілю;

– розробити узагальнену теорію визначення напружено-деформованого стану тонкостінних анізотропних профілів;

– виконати експериментальні дослідження деформування стержнів з неоднорідним перерізом;

– розробити практичні рекомендації щодо проектування, виготовлення та засобів зниження напружень і деформацій тонкостінних анізотропних профілів з композиційних матеріалів.

Об’єкт дослідження – тонкостінні силові елементи конструкції літальних апаратів (стрингери, лонжерони, балки, панелі обшивки, панелі фюзеляжу та ін.) з КМ.

Предмет дослідження – методики моделювання НДС тонкостінних елементів конструкцій з КМ та прогнозування їхньої форми внаслідок температурного навантаження.

Методи дослідження. Стосовно основи теоретичних досліджень було вибрано загальну теорію пружності тонкостінних стержнів, методики розрахунку фізико-механічних характеристик анізотропних КМ та проектування елементів конструкцій при довільному термомеханічному навантаженні. Експериментальні містили визначення механічних характеристик матеріалів, вимірювання геометричних параметрів елементів конструкцій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому:

– уперше виявлено і обґрунтовано механізм виникнення згинально-крутильних деформацій композитних стержнів з неоднорідним перерізом при зміні температури та (або) внаслідок усадки;

уперше запропоновано методику визначення температурних навантажень в композитних стержнях, що призводять до складного згинально-крутильного стану;

– уперше розроблено будівельну механіку тонкостінних композитних стержнів, навантажених позацентровою самоврівноваженою системою зусиль, та одержано розв’язувальні диференціальні рівняння.

Практичне значення одержаних результатів полягає:

– в методиці та розрахункових формулах для прогнозування температурного самоврівноваженого НДС тонкостінних стержнів з неоднорідними властивостями вздовж контуру;

– розв’язанні диференціальних рівнянь у вигляді інженерних залежностей для розрахунку лінійних і кутових переміщень точок контуру типових стержнів;

– практичних рекомендаціях щодо співвідношення фізико-механічних і геометричних характеристик профілів, які треба використовувати на етапі пророблення внутрішньої геометрії агрегату з КМ.

Матеріали роботи використовуються у навчальному процесі ХАІ при виконанні науково-дослідних робіт, курсових і дипломних проектах спеціалістів і магістрів спеціальності “Конструювання та виробництво виробів з композиційних матеріалів”.

Особистий внесок здобувача полягає:

– у розробленні математичної моделі, що описує поведінку тонкостінних елементів і використанні цієї моделі для розрахунку остаточного НДС для низки типових перерізів силових авіаційних профілів з КМ;

– у проведенні досліджень впливу геометричних, фізико-механічних і технологічних параметрів на розмір остаточних деформацій композитних стержнів відкритого профілю;

– у формулюванні практичних рекомендацій для можливості контролю (регулювання та обмеження) розміру жолоблення, що виникає на етапі виготовлення профілів;

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації було докладено на VI, VII Міжнародних молодіжних науково-практичних конференціях Людина і космос (м. Дніпропетровськ, 2004, 2005 р.), 27 щорічній міжнародній науково-практичній конференції та бліц-виставці “Композиционные материалы в промышленности” (Славполиком) 28 травня - 1 червня 2007 р., Ялта, Крим; 29 щорічній міжнародній науково-практичній конференції та семінарі “Композиционные материалы в промышленности” 1 червня - 5 червня 2009 р., Ялта, Крим; Міжнародній науково-методичній конференції “Современные проблемы технологий конструкционных материалов и материаловедения” 12 жовтня 2009 р., Харків, Харківський національній автомобільно-дорожній університет; на розширених науково-технічних семінарах кафедр Авіаційне матеріалознавство та Проектування конструкцій літальних апаратів.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 статей (3 з яких без співавторів) у фахових виданнях ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 152 сторінок, 48 ілюстрацій по тексту, 16 таблиць по тексту, 120 найменувань використаних літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і важливість вирішуваної проблеми, подано загальну характеристику роботи, її зв'язок з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету та задачі дослідження. Дано характеристику наукової новизни, практичного значення одержаних результатів, а також їх апробації та використання.

У першому розділі на підставі огляду літератури проаналізовано конструкції сучасних авіаційних конструкцій з КМ та наведено схеми їх навантаження й опис основних методик визначення НДС тонкостінних елементів ЛА. Особливу увагу приділено причинам виникнення остаточного та технологічного НДС. Актуальні для свого часу питання механіки тонкостінних конструкцій було сформульовано та успішно вирішено такими видатними вченими, як С.П. Тимошенко, К. Вебер, Ф. і Г. Блейх, В.М. Бєляєв, В.З. Власов, Б.Г. Галеркін, С.Г Лехніцький, П.Я. Артемов, С.М. Кан. Подальше прикладне значення теоретичних досліджень було розвинено інженерами Д.В. Бичковим, А.Р. Ржаніциним, М.М. Рудициним, Г.Ю. Дженалідзе, В.В. Новожиловим та ін. У зв’язку з початком використання у будівельних та авіаційних конструкціях КМ з’явилася потреба у коректуванні існуючих теорій. Значний внесок у розроблення теорії тонкостінних анізотропних конструкцій зробили такі видатні вчені як Е.І. Григолюк, А.С. Вольмір, В.В. Васильєв, Ю.М. Тарнопольський, С.Г. Винокуров, О.М. Гузь, А.П. Лещенко. Відомі вчені ХАІ В.Є. Гайдачук, Я.С. Карпов, В.В. Кириченко також зробили значний внесок у розвиток механіки, міцності, конструювання та виробництва виробів з КМ. Постійне ускладнення авіаційних конструкцій, висування до них нових вимог, використання нових високоміцних композиційних матеріалів потребують уточнення методик розрахунку НДС таких конструкцій. На основі аналізу результатів існуючих наукових досліджень сформульовано мету та завдання дисертації.

У другому розділі виконано аналіз причин виникнення та розроблено механізм згинально-крутильної деформації композитних стержнів з неоднорідним перерізом. Відомо, що всі профілі з неоднорідним перерізом після виймання з оснастки або при зміні температури жолобляться. Пояснюється це, по-перше, конструктивною неврівноваженістю структури КМ відносно центру жорсткості або серединної поверхні та, по-друге, такими технологічними факторами, як нерівномірна полімеризація сполучного, порушенням об’ємного вмісту волокон у зонах змінної кривизни та ін. Аналіз взаємодії шарів КМ, що мають різні кути орієнтування, дозволив зробити висновок про те, що у довільному перерізі стержня внаслідок зазначених вище причин виникає внутрішній самоврівноважений напружений стан (рис. 1, а). Якщо не враховувати наявність крайового ефекту на торцях стержня, то для подальшого аналізу можна розглядати стержень, елементи якого навантажені по краях фіктивними зовнішніми нормальними зусиллями (рис. 1, б). Ці зусилля спричиняють внутрішній двоосний НДС (рис. 1, в). Поперечні напруження  впливають на величину поздовжніх  через коефіцієнти Пуассона і їх слід враховувати при розрахунку на міцність, але  спричиняють деформації лише вздовж осі z (рис. 1, г), тому їхнім впливом на жолоблення можна знехтувати. На основі вирішення задачі поведінки стержня при температурному навантаженні одержано залежності для розрахунку величин напружень  і  (див. рис. 1, в, г):

                      (1)

;

де , , ,  – піддатливості елементів стержня;

, , ,  – сумарні вільні температурні та (або) усадкові деформації.

 

Рис. 1.  Схема виникнення та визначення зусиль в елементах профілю

Уперше синтезований механізм деформування стержнів полягає у такому. У загальному випадку напруження або їх рівнодіючі, зображені на рис. 1, б, не проходять через секторіальні нульові точки перерізу, тому стержень знаходиться в умовах складного опору розтягання (стискання), згину та крутіння. Сили  та  (рис. 2, а) завжди можна замінити тими ж самими силами, які проходять через нульову точку перерізу  та парою сил  і  (рис. 2, б, в). Під дією сил  і , що проходять через нульову  точку, стержень зазнає лише чистого розтягання (стискання) та згину. Під дією моментів  та  стержень зазнає лише згин і крутіння у вертикальній площині, момент  (рис. 2, в) спричиняє згин у горизонтальній площині. Пару сил  і , у свою чергу, можна замінити тією ж самою парою, що діє у площині, паралельній площині розглядуваної пари, та проходить через центр згину перерізу – точку А (рис. 2, б, г), та біпарою:

– з плечем с (для ) і бімоментом ;

– з плечем  (для ) і бімоментом .

Пара сил, яка діє у площині, що проходить через центр згину А, спричиняє лише чистий згин стержня, а біпара лише закручує його. Таким чином, уперше розроблено механізм згинально-крутильних деформацій стержня з неоднорідним перерізом під дією самоврівноваженої системи сил.

а

б

в      г

Рис. 2.  Механізм виникнення складного згинально-крутильного стану стержня

під дією самоврівноваженої системи сил

У третьому розділі розроблено будівну механіку композитних стержнів, навантажених технологічними та (або) температурними зусиллями. Розрахункова схема для аналізу НДС узагальненого стержня з неоднорідним перерізом (рис. 3) будується на основі теорії тонкостінних стержнів В.З. Власова. Відповідно до неї реальний переріз замінюється серединною за товщиною лінією ділянок профілю, а усі зовнішні зусилля прикладаються до цього каркасу. З метою розширення області застосування у дисертації розглядається тонкостінний призматичний стержень замкнутого або незамкнутого профілю, до якого у загальному випадку прикладено осьові нормальні Р та зсувні сили Т, поперечні згинальні М та крутильні моменти Н (рис. 3).

а

б

в

Рис. 3.  Схема навантаження перерізу стержня: а – прикладені зовнішні зусилля,

б – визначення переміщення перерізу, в – напруження в елементарній ділянці стержня

Закони деформування такого стержня базуються на таких припущеннях:

деформації зсуву серединної поверхні дорівнюють нулю;

контур перерізу не деформується, тобто відстань між двома точками перерізу при переході стержня у деформований стан залишається таким же самим.

При виведенні рівнянь деформування стержня було використано загальну формулу переміщення довільної точки контуру (рис. 3, б):

,    (2)

де , , , – поздовжнє, поперечні (уздовж осей z та y відповідно) лінійні переміщення та кут закручування усього перерізу; – секторіальна площина точки.

Для визначення функцій , , ,  необхідно додати фізичні співвідношення та рівняння рівноваги стержня. Для ортотропного матеріалу у вибраній системі координат фізичний закон має вигляд

   (3)

де , , ,   деформації та напруження стержня; , , ,   модулі пружності та коефіцієнти Пуассона.

Залежність дотичних зусиль можна одержати, розглянувши деформацію елементарної ділянки стержня (рис. 3, в):

,   (4)

де  проекція інтенсивності зовнішнього поверхневого навантаження, константа інтегрування; товщина профілю.

Після підстановки виразу для  у фізичний закон (3) одержимо формули для визначення нормальних напружень , а потім із формули (4) – дотичні .

Рівняння рівноваги розглянутого стержня мають вигляд (див. рис. 3, а):

  (5)

У цих рівняннях позначено:

, , інтенсивність зовнішнього погонного навантаження вздовж осей z та у;

(x), (x) зовнішні зсувні зусилля прикладені до країв стержня;

Н зовнішній погонний крутильний момент;

похідна від крутильного моменту при його зміні вздовж поздовжньої осі стержня;

m сумарний момент, що спричиняється зовнішнім поперечним навантаженням.

Після підстановки у ці рівняння формул для нормальних і дотичних напружень та інтегрування від точки L до точки (див. рис. 3, а) K з урахуванням граничних умов одержано систему загальних рівнянь, що описують напружено-деформований стан стержня, навантаженого довільною системою зусиль:

      (6)

Загальну систему можна спростити, якщо вибрати первісну систему координат хуz не довільно, а сполучити її з механічною головною центральною системою осей, у якій механічні статичні моменти та механічний центробіжний момент дорівнюватимуть нулю. Якщо полюс для визначення секторіальної координати вибрати у механічному центрі згину перерізу, то механічний секторіальний статичний момент дорівнюватиме нулю, а при виборі початку її відліку у механічній головній секторіальній точці секторіально-лінійні статичні моменти перерізу дорівнюватимуть нулю. З урахуванням цього система (9) спрощується до такої:

 (7)

Першим рівнянням системи (7) описуються поздовжні переміщення (х) від дотичних зусиль та стискаючої або розтягувальної сили прикладеної по кінцях стержня та розподіленої по перерізу рівномірно. Друге та третє рівняння описують поперечний згин стержня та визначають прогини (х) та (х) лінії механічних центрів згину у механічних головних площинах стержня. Четверте рівняння дозволяє визначити кути закручування стержня (х).

Якщо поздовжні краї стержня вільні від зсувних і поперечних зусиль, тобто , то система (7) набуває вигляду:

 (8)

Інтегрування цих рівнянь здійснюється за таких граничних умов:

(9)

де В – бімомент, що створюється елементарними силами  (див. залежності (1), рис. 1); – загальний крутильний момент, що складається зі згинально-крутильного моменту  від осьових зсувних сил  і крутильного моменту Н від нерівномірного розподілу дотичних зусиль за товщиною стінки. Унаслідок отримано аналітичну залежність для визначення кута закручування стержня

    (10)

та лінійних переміщень

    (11)

Проаналізовано вплив геометричних і фізичних співвідношень на напружено-деформований стан стержня. В аналітичному вигляді одержано систему рівнянь для стержня, навантаженого виключно поздовжніми зусиллями, вирішено цю систему рівнянь з урахуваннями декількох випадків природних граничних умов (рис. 4).

Рис. 4.  Вплив фізико-механічних параметрів стержня на його НДС

У четвертому розділі виконано експериментальні дослідження компонентів переміщень стержнів з неоднорідним перерізом. Розроблено методику виконання експериментів, здійснено вимірювання металокомпозитних стержнів і чисто композитних стержнів з неоднорідною схемою армування за перерізом (рис. 5). За допомогою гарячого склеювання було виготовлено декілька метал-металевих (рис. 5, а), метал-композитних (рис. 5, б-д) та складених композитних профілів (рис. 5, б е, ж, к) з фіксуванням параметрів склеювання (полімеризації). Після витягування з оснастки замірялися переміщення ,  та  характерних точок профілів відносно вибраної системи координат. Певні елементи складених композитних профілів підрізалися на відому величину (рис. 5, з, і, і) і вимірювання оновленого деформованого стану повторювалися. Порівняно та проаналізовано результати теоретичних (прогнозованих) і практичних (фактично одержаних) компонентів деформацій контуру. Так, для характерних точок 1, 2, 3 кутикового профілю (рис. 2, а, рис. 5, ж) було розраховано (, ) та відповідно виміряно (*, *) їх переміщення у просторі (таблиця 1). На основі порівняння теоретичних і практичних значень переміщень зроблено висновок про те, що переміщення у цих випадках збігаються досить добре, бо відносна (щодо виміряного переміщення) похибка не перевищує 30% та й ця різниця характерна лише для відносно малих абсолютних переміщень, де похибка вимірювань суттєво впливає на результат вимірювання. Розроблено аналітичні залежності для визначення переміщень уздовж контуру.

а    б  в  г  д

е   ж       з   і  к         л

Рис. 5. Складені профілі, виготовлені для експериментального визначення жолоблень: а – алюмінієво-титанові; б – алюмінієво-вуглепластиковий (кут укладання 0); в – кут укладання 5; г – кут укладання 10; д – вузька накладка з кутом укладання 0; е – композитний [0;±75] з внутрішньою накладкою; ж – [0;±45] з зовнішньої накладкою; з – профіль “є” після двократного підрізання (по 4 мм) вільної полиці; і – профіль “е” після двократного підрізання складеної полиці (по 4 мм); к – композитний швелерний профіль [0;±75]; л – швелерний профіль після двократного підрізання (по 11 мм)

У п’ятому розділі розроблено практичні рекомендації щодо проектування та розрахунку на міцність композитних стержнів. Сформульовано конструктивні та технологічні рекомендації щодо вибору співвідношення властивостей армувальних матеріалів і полімерних сполучних до них, раціонального призначення параметрів процесу виготовлення стержнів

Таблиця 1

Переміщення характерних точок профілю у просторі

х, м

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Точка 1

, мм

0

0,093

0,360

0,801

1,418

2,210

3,178

4,321

5,647

7,134

*, мм

0

0,120

0,280

0,650

1,250

1,980

2,830

3,950

5,820

7,500

,%

0

22,5

28,5

23,2

13,4

11,6

12,3

9,4

3,0

4,9

, мм

0

0,225

0,900

2,025

3,600

5,625

8,100

11,025

14,40

18,225

*, мм

0

0,180

0,670

1,830

3,120

4,900

8,270

11,800

16,160

19,730

,%

0

25,0

34,3

10,7

15,4

14,8

2,1

6,6

10,9

7,6

Точка 2

, мм

0

0,088

0,352

0,792

1,408

2,200

3,168

4,312

5,639

7,128

*, мм

0

0,110

0,280

0,630

1,280

1,970

3,300

4,520

5,940

6,990

,%

0

20,0

25,7

25,7

10,0

11,7

4,0

4,6

5,1

2,0

, мм

0

0,462

1,233

2,397

3,987

6,025

8,473

11,398

14,733

18,462

*, мм

0

0,380

0,970

1,850

3,690

5,940

8,100

10,870

15,230

19,200

,%

0

21,6

27,1

29,6

8,0

1,4

4,6

4,9

3,3

3,8

Точка 3

, мм

0

0,302

0,653

1,128

1,758

2,561

3,518

4,648

5,940

7,342

*, мм

0

0,350

0,780

1,300

1,900

2,800

3,500

4,320

5,650

6,950

,%

0

13,7

16,3

13,2

7,5

8,5

0,5

7,6

5,1

5,6

, мм

0

0,225

0,900

2,025

3,600

5,625

8,100

11,025

14,40

18,225

*, мм

0

0,200

0,800

1,900

3,300

5,100

8,100

11,900

15,300

19,600

,%

0

12,5

12,5

6,5

9,1

10,3

0

7,4

5,9

7,0

з полімерних композиційних матеріалів, обґрунтовано раціональну геометрію та позиції розташування підсилювальних накладок на профілі, що складаються з декількох різних елементів. Суть рекомендацій полягає:

– у зменшенні відстані (плеча h, рис. 2, а) між рівнодіючими елементів профілю (рис. 6, б);

– у розташуванні додаткових елементів (накладок) таким чином, щоб зменьшити (компенсувати) величини крутильних біпар та згинальних моментів (рис. 6, в, д);

– у вибиранні (змінювати) схеми армування та розмірів композитних елементів таким чином, щоб фізико-механічні властивості різних елементів були найбільш близькими (рис. 6, г);

– у використанні клеїв (сполучних), що потребують отвердження при температурах, найбільш близьких до кімнатної.

Послідовність засобів щодо зниження жолоблень може бути продемонстровано на наступному прикладі (рис. 6).

а   б  в  г     д

Рис. 6.  Методи зниження жолоблень складеного контуру із композита

Запропоновано методи щодо зниження внутрішніх технологічних зусиль і жолоблень, що виникають у процесі виробництва тонкостінних складених профілів. Так, для швелерного перерізу, показаного на рис. 5, і, к, для зниження кута закручування перерізу на 17% (з 6,5) слід зменшити ширину полки на 30%. При виготовленні кутикового профілю з посилювальною накладкою (рис. 5, е) її слід розташовувати під полицею (з внутрішньої частини профілю). Таке конструктивне рішення дозволяє знизити на 32% (до 0,9) кут закручування перерізу та на 22% лінійні відхилення точок профілю від теоретичного контуру.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-практичної задачі визначення технологічного напружено-деформованого стану тонкостінних довговимірних стержнів з неоднорідними фізико-механічними властивостями за перерізом, виготовлених з композиційних матеріалів, та розробленню практичних рекомендацій щодо зниження жолоблення таких стержнів. На основі розробленої теорії деформування анізотропних стержнів одержано аналітичні залежності, що дозволяють оцінювати лінійні та крутильні переміщення елементів складного контуру.

Найбільш важливі наукові та практичні результати роботи:

1. Виконано аналіз причин виникнення додаткового технологічного напружено-деформованого стану композитних стержнів, що виникає під час виготовлення композитного виробу під впливом температури або усадки полімерного сполучного.

2. Запропоновано уніфіковану методику оцінювання величини внутрішніх зусиль, що виникають у елементах стержня з неоднорідними властивостями поздовж контуру.

3. Пояснено механізм виникнення складного згинально-крутильного деформування тонкостінних профілів, спричиненого зазначеними вище внутрішніми зусиллями. Запропоновано підхід, що дозволяє звести складне навантаження профілю до низки більш простих елементарних навантажень – чистого згину, розтяганню (стисканню) та чистому крутінню профілю.

4. Розроблено узагальнену теорію деформування тонкостінних стержнів з неоднорідними властивостями вздовж контуру, навантажених довільною системою зусиль. Для серії декількох типових граничних умов і відомих типових конфігурацій профілів одержано точне аналітичне рішення для переміщень у просторі довільної точки контуру. Одержано систему розв’язувальних рівнянь для визначення лінійних і кутових переміщень точок перерізу.

5. Виконано експериментальні дослідження, що дозволили знайти та продемонструвати зазначені вище явища, виміряти переміщення елементів типових профілів і порівняти величини практично одержаних деформацій з прогнозованими аналітично. Розроблено практичні рекомендації щодо вибору раціональних фізико-механічних і геометричних параметрів складеного профілю з КМ. Достатньо точне збігання теоретичних і експериментальних даних дозволяє зробити висновки про можливість використання у виробництві розробленої теорії і отриманих практичних формул.

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Карпов Я.С. Напряженно-деформированное состояние адгезионного соединения конечной ширины/ Я.С. Карпов, И.М. Тараненко И.М.//Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: темат. сб. науч. тр. Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1996.– С.5660.

Здобувач обґрунтував необхідність урахування другого виміру для аналізу напружено-деформованого стану з’єднань тонкостінних анізотропних композиційних матеріалів і запропонував методику розрахунку НДС адгезійного з’єднання.

2. Мудрый А.А. Кромочные эффекты в балках из композиционных материалов/ А.А. Мудрый, И.М. Тараненко//Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: темат. сб. науч. тр. Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1996.– Вып. 11.– С.2025.

Здобувачем підтверджено необхідність урахування таких кромкових ефектів, як різниця коефіцієнтів Пуассона з’єднувальних матеріалів і різниця їх коефіцієнтів термічного розширення для розрахунку напружено-деформованого стану з’єднань елементів авіаційних конструкцій, виготовлених з анізотропних композиційних матеріалів.

3. Тараненко И.М. Оценка температурных напряжений в профилях из композиционных материалов/ И.М. Тараненко//Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Гос. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”.– Вып. 20(3).– Харьков, 2003.– С.7074.

4. Тараненко И.М. Исследование напряженно-деформированного состояния тонкостенных композитных профилей/И.М. Тараненко//Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”.– Вып. 27.– Харьков, 2000.– С.119123.

5. Тараненко И.М. Расчет деформированного состояния z-образного композитного профиля/И.М. Тараненко//Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”.– Вып. 33.– Харьков, 2003.– С.6773.

6. Тараненко И.М. Возможности управления остаточными напряжениями в профилированных изделиях из композиционных материалов/И.М. Тараненко, М.Е. Тараненко//Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. трудов. Нац. аэрокосмич. ун-т им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. Вып. 34. Харьков: ХАИ, 2003.– С.6873.

Здобувачем проаналізовано причини виникнення залишкових і технологічних деформацій у тонкостінних анізотропних стержня з композиційних матеріалів, і сформульовано практичні технологічні рекомендації щодо виготовлення профілів з мінімальним залишковим жолобленням.

7. Карпов Я.С. Механика технологического деформирования профилей из композиционных материалов/ Я.С. Карпов, И.М. Тараненко//Композиционные материалы в промышленности: материалы двадцать седьмой междунар. конф., 28 мая – 1 июня 2007 г., г. Ялта, Крым.– Киев: УИЦ “Наука.Техника.Технология”, 2007.– С. 404407.

Здобувачем розроблено рекомендації щодо раціонального вибору фізичних і геометричних параметрів тонкостінних стержнів з метою мінімізації технологічних жолоблень елементів стержнів.

8. Карпов Я.С. Особенности напряженно-деформированного состояния тонкостенных стержней из анизотропных материалов/Я.С. Карпов, В.Н. Павленко, И.М. Тараненко//Доклад на двадцать девятой междунар. конф. “Композиционные материалы в промышленности”, 1-5 июня, 2009 г., г. Ялта, Крым.– Киев: УИЦ “Наука.Техника.Технология”, 2009.– С.225229.

Здобувачем запропоновано фізичну модель виникнення згинально-крутильних деформацій у тонкостінних конструкціях, виготовлених з композитних анізотропних матеріалів та залежності для обчислювання деформацій перерізу.

9. Карпов Я.С. Подход к определению напряженно-деформированного состояния стержней из композиционных материалов с учетом внутреннего самоуравновешенного напряженного состояния/Я.С. Карпов, В.Н. Павленко, И.М. Тараненко//Авиационно-космическая техника и технология: науч-техн. журнал.– Вып. 1(68).– Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”, 2010.– С. 2633.

Здобувачем пояснено механізм виникнення складного згинально-крутильного деформування довгомірних профілів з композиційних матеріалів з неоднорідним перерізом і запропоновано механізм оцінювання зусиль, що виникають при змінюванні температури профілю.

АНОТАЦІЯ

Тараненко І.М. Метод розрахунку температурного напружено-деформованого стану композитних стрингерів панелей обшивки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 – проектування, виробництво та випробування літальних апаратів.– Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2010.

Дисертація присвячена вивченню напружено-деформованого стану довгомірних профілів із композиційних матеріалів з неоднорідним перерізом, навантажених системою внутрішніх технологічних зусиль, що виникають у період виготовлення виробу. Обґрунтовано механізм виникнення внутрішнього само врівноваженого напружено-деформованого стану, що виникає при виготовленні тонкостінних профілів із композиційних матеріалів через термічне розширення матеріалів та усаджування сполучного. На основі загальної теорії пружності тонкостінних стержнів, методики розрахунку фізико-механічних характеристик анізотропних КМ та методик проектування елементів конструкцій при довільному термомеханічному навантаженні розроблено теоретичні підходи, фізичні та математичні моделі та одержано аналітичні формули для оцінювання величин напружень, що виникають у елементах складених профілів і лінійних та крутильних переміщень профілів, що знаходяться під впливом внутрішнього самоврівноваженого напруженого стану. Виконано параметричні та експериментальні дослідження, що підтвердили працездатність теорії та дозволили обґрунтувати практичні рекомендації щодо виготовлення профілів з неоднорідним перерізом. Запропоновано схеми армування та раціональні місця встановлення накладок, що мінімізують жолоблення профілю під час його виготовлення.

Ключові слова: напружено-деформований стан, остаточні деформації, методика розрахунку, композиційний матеріал, тонкостінна конструкція, технологічне жолоблення, розрахунок на міцність, секторіальні координати, з’єднання.

АННОТАЦИЯ

Тараненко И.М. Метод расчета температурного напряженно-деформированного состояния композитных стрингеров панелей обшивки. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 – проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. – Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2010.

При изготовлении элементов силового набора крыла и фюзеляжа из современных полимерных композиционных материалов неизбежно возникают коробления (поводки) поперечного сечения, связанные с рядом таких факторов, как термическое расширение и усадка полимерного связующего, и, как результат полученное изделие отличается от требуемой теоретической формы и нагружено дополнительными, зачастую неучтенными, внутренними усилиями. Более того, возникающие при изготовлении внутренние самоуравновешенные системы сил достигают весьма существенных значений и приводят к сложному изгибно-крутильному деформированию элементов профиля с неоднородным поперечным сечением по контуру, что следует учитывать при проектировании профилей.

Диссертация посвящена изучению напряженно-деформированного состояния длинномерных профилей из композиционных материалов с неоднородным поперечным сечением, нагруженных системой внутренних самоуравновешенных технологических усилий, которые возникают на этапе изготовления изделия. Проанализирован механизм возникновения внутреннего самоуравновешенного напряженно-деформированного состояния, возникающего при изготовлении тонкостенных профилей из композиционных материалов вследствие термического расширения материалов и усадки связующего. На основе обобщенной теории упругости тонкостенных стержней, методики расчета физико-механических характеристик анизотропных КМ и методик проектирования элементов конструкции при произвольном термомеханическом нагружении разработана обобщенная теория деформирования тонкостенных стержней с неоднородными свойствами вдоль контура, нагруженного произвольной системой усилий. Получена система разрешающих уравнений для определения перемещений произвольных точек составного контура при действии только лишь продольных напряжений, распределенных по поперечному сечению согласно произвольному закону. Для ряда типовых металлических, металло-композитных и чисто композитных составных профилей при определенных условиях опирания стержня найдены аналитические решения для линейных и угловых перемещений в пространстве произвольных точек контура, которые в последствии были замерены экспериментально.

Достаточно точное совпадение экспериментально замеренных компонентов перемещений (разница не более 30%) с предложенными аналитическими зависимостями и результатами конечно-элементного расчета позволяет рекомендовать разработанные подходы для практического применения.

Проведенные параметрические и экспериментальные исследования позволили сформулировать практические рекомендации по формированию рациональной формы профилей с неоднородным сечением и выбору технологических параметров процесса их изготовления. Предложены схемы армирования и рациональные места установки накладок, которые минимизируют коробление профиля в процессе его изготовления.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, остаточные деформации, методика расчета, композиционный материал, тонкостенная конструкция, технологическое коробление, расчет на прочность, секториальные координаты, соединения.

SUMMARY

Taranenko I.M. The method of analysis thermal stressed state of skin panel stringers made of composites. – Manuscript.

The thesis for candidate degree of engineering science by specialty 05.07.02 – aircraft design, manufacturing and testing. – Zhukovsky National aerospace university “KhAI”, Kharkiv, 2010.

The thesis is devoted to:

– working out and developing design technique of thin-walled aircraft structures made of anisotropic composites taking into consideration residual thermal stress-strain state due to manufacturing and assembling operations;

– estimation of residual thermal stress-strain state influence on strength of aircraft structural elements made of composites;

– developing and formulation of exact recommendations for manufacturers devoted to rational relationships of geometrical and mechanical properties of proposed structural thin-walled composite aviation sections.

Necessity of thin-walled sections residual stress-strain state considering at the stage of section design is proved. The appearance of auxiliary stress-strain state due to structural material anisotropy is shown and estimated. Classification of typical aircraft thin-wall structural elements is analyzed. For developing generalized theory of deformable state of thin-walled composite rods loaded with arbitrary external loading, technique for determination physical-mechanical properties of laminated composites and methods of aircraft articles design were used. Application of worked out technique for determination of strained state of exact sections (several complicated angle section, bulb-angle section, z-section etc.) is developed. Theoretical results obtained by parametrical analysis have been proved by experiments. Practical recommendations for future sections structural analysis (composite stacking sequence, geometrical ratios, doublers positioning) and rational parameters of manufacturing have been given.

Key words: stress-strain state, residual strains, analysis technique, composite material, thin-walled structure, manufacturing warping, strength analysis, sectorial coordinates, joints.


Підписано до друку  17.12.2010 р.

Формат 60х84/16. Папір офсетний. Офс. друк.

Ум. друк. арк.. 1,2 Наклад 100 прим. Замовлення № 446

Безкоштовно

_______________________________________________________________________________

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

Харківський авіаційний інститут

61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр “ХАІ”

61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39344. СИНТЕЗ КОМБІНАЦІЙНОЇ СХЕМИ. СХЕМОТЕХНІКА ПРИСТРОЇВ НА ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧАХ 71.35 KB
  ОУ майже завжди використовуються в схемах з глибокої негативним зворотним звязком яка завдяки високому коефіцієнту підсилення ОУ повністю визначає коефіцієнт передачі отриманої схеми.2 Активний алгебраїчний суматор Мікросхеми суматорів призначені для підсумовування двох вхідних двійкових кодів.3 Розробка схеми розрахунки параметрів та аналіз На базі схеми з багатопельовим ЗЗ схема Рауха синтезувати схему фільтра верхніх частот належним вибором двополюсників.1 – схема Рауха Складемо граф схеми Рауха.
39345. Правонарушение и юридическая ответственность 51.28 KB
  Материальная ответственность это вид юридической ответственности состоящий в обязанности одной из сторон трудового договора контракта возместить в соответствии с законодательством материальный ущерб причиненный другой стороне этого договора. Совокупность этих условий называется содержанием договора. Условия договора делятся на три группы: обычные случайные и существенные. Обычные условия – это условия которые на практике включаются в содержание данного договора однако их отсутствие не влияет на его действительность.
39346. Расчет электронного логического автомата 6.39 MB
  Логический автомат – это устройство автоматически выполняющее некоторые функции для задания которых используется аппарат алгебры логики. Функции комбинационной схемы управления КСУ: В двоичном коде функции КСУ представлены в табл. Функции КСУ в двоичном коде Число
39347. Проектирование статического регулятора с промежуточным усилителем и последовательным корректирующим устройством 3.29 MB
  Составление функциональной схемы замкнутой САУ Рис. Обобщенная функциональная схема САУ работающей по отклонению. Принцип управления по отклонению используется в замкнутых САУ и реализуется с помощью отрицательной обратной связи по регулируемой величине. Обобщенная функциональная схема САУ работающего по отклонению представлена на следующем рисунке: На этом рисунке: З – задатчик; P – регулятор; О – объект управления; элемент сравнения сумматор; задание; регулируемая величина; отклонение или ошибка управления; управляющее...
39348. Разработка цифрового логического устройства 4.16 MB
  Структурная схема логического автомата для управления роботом: БУиП блок управления и питания; АС автомат состояний; СИ схема индикации; КСУ комбинационная схема управления; УГ управляющий генератор; ИУ исполнительное устройство; ОУ объект управления; ЛА логический автомат. Минимизация по €œ1€ Минимизация по €œ0€ Рисунок 1.4 Рисунок 1. Рисунок 1.
39349. Измерение результатов национальной экономики 86.5 KB
  Модель кругооборота ресурсов, продукта и доходов в макроэкономике позволяет понять основы современной системы измерения результатов национальной экономики, получившей название система национальных счетов (СНС).
39350. Двухступенчатый горизонтальный коническо-цилиндрический редуктор общего назначения привода ленточного конвейера 1.86 MB
  Определение вращающих моментов и скоростей на валах редуктора Выбор электродвигателя Требуемая мощность Вт электродвигателя: где F – окружная сила на барабане V – скорость длины ленты транспортёра общий КПД привода. Частота вращения приводного вала рабочей машины число оборотов на выходе: об мин где диаметр барабана. Определение вращающих моментов и скоростей на валах редуктора Расчёт моментов на валах: ; ; ; . Диаметр выходного конца вала рассчитывается по следующей формуле .
39351. Символический интеракционизм Дж.Мида, Ч.Кули и Г.Блумера 16.59 KB
  Символический интеракционизм – (от английского interaction – взаимодействие) направление в социологии, исследующее социокультурный мир символов, обслуживающих межсубъектные взаимодействия, функционирующие в языке, культуре, внутренних личностных структурах
39352. Привод механизма подъема 910.5 KB
  Мощность двигателя зависит от требуемой мощности рабочей машины а его частота вращения от частоты вращения приводного вала рабочей машины.2 Определение передаточного числа привода и его ступеней Передаточное число привода определяется отношением номинальной частоты вращения двигателя к частоте вращения приводного вала рабочей машины при номинальной нагрузке и равно произведению передаточных чисел закрытой и открытой передач.1 Определяем мощности а двигателя б быстроходного вала редуктора 12 в тихоходного вала редуктора 13 г рабочей...