Волнообразование лейнеров в металлокомпозитных баллонах давления

Язык труда и переводы:
УДК:
621.7.04
Дата публикации:
19 января 2022, 21:02
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Егоров Антон Витальевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Егоров Виталий Николаевич
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Аннотация:
Исследовано деформирование металлокомпозитного баллона давления с тонкостенным стальным лейнером, включая проблему волнообразования лейнеров при изготовлении и эксплуатации таких баллонов, на примере нагрева контактно-стесненного кольца. В качестве расчетной схемы рассмотрена цилиндрическая часть баллона. Для нее построена 3D-конечно-элементная модель с учетом односторонней связи лейнера и оболочки на поверхности контакта. Принято во внимание повышение температуры кольца во времени. Анализ деформирования конструкции проведен по методологии динамического анализа. Расчеты выполнены в программном комплексе LS-DYNA в динамической постановке. Сравнение полученных результатов расчетов с данными известного из литературы эксперимента показало хорошее совпадение, что свидетельствует о высокой точности расчета, а следовательно, о его применимости на практике. Предложенный подход позволяет провести оценку несущей способности контактно-стесненных оболочечных конструкций уже на этапе их проектирования.
Ключевые слова:
металлокомпозитный баллон, стальной лейнер, расчет на устойчивость, динамический подход, метод конечных элементов, LS-DYNA
Основной текст труда

В связи с активным расширением сферы применения металлокомпозитных баллонов высокого давления (МКБВД) требуется более точная оценка их несущей способности, включая проблему волнообразования лейнеров при изготовлении и эксплуатации баллонов. Как отмечается в известных публикациях, посвященных исследованиям стесненных оболочечных конструкций, волнообразование лейнеров относится к недопустимым дефектам конструкции [1–4]. Появление такого механизма деформирования наиболее заметно сказывается в баллонах с тонкостенным стальным лейнером, которые и рассматриваются в данной работе.

За расчетную схему принята центральная цилиндрическая часть МКБВД, которая трактуется как конструкция кольцо — обойма (с жесткой обоймой), или контактно-стесненное кольцо. Анализ деформирования конструкции выполняется по методологии динамического анализа [5], согласно которой вводятся три определяющих фактора: объемность, технологические отклонения, режим реального времени; строится 3D-конечно-элементная модель конструкции с учетом односторонней связи лейнера и оболочки на поверхности контакта. Расчеты проводятся в программном комплексе LS-DYNA в динамической постановке. Считается, что в конструкции кольцо — обойма происходит температурное нагружение по кусочно-линейному закону только кольца, обойма имеет нулевой коэффициент линейного термического расширения. Из расчетов находится напряженно-деформированное состояние кольца в функции времени, что позволяет устанавливать по времени момент потери устойчивости кольца и по графику нагрузки определять критическую температуру.

Для конкретной конструкции кольцо — обойма найдена критическая температура, при которой отмечается потеря устойчивости кольца в виде местной волны деформации (складки). Проведенные сравнения полученной расчетом величины критической температуры [5, 6] с экспериментально замеренной температурой на идентичной конструкции кольцо — обойма в работе [1] показали хорошее согласование результатов.

Исследование процесса волнообразования лейнера в конструкции кольцо — обойма на основе предложенной методологии динамического анализа позволило представить процесс в виде изображений деформированного состояния кольца (лейнера) и графиков напряжений и деформаций в функции времени. При таком подходе удается проследить во времени процесс зарождения и развития волны деформации в лейнере.

В работе рассмотрен МКБВД с тонкостенным стальным лейнером, применение которого снижает массу МКБВД по сравнению с алюминиевым лейнером. Деформирование МКБВД изучено в процессе температурного нагружения во времени кольца, что позволило установить начальную стадию местных перемещений кольца и стадию непосредственного формирования внутреннего лепестка (волны), связанного с локальной потерей устойчивости кольца. Решение задачи устойчивости контактно-стесненного кольца проведено по методологии динамического анализа в программе LS-DYNA. Выполненные расчеты подтвердили хорошее согласование результатов расчета и эксперимента, описанного в литературе. Таким образом, предложенный подход позволяет провести оценку несущей способности контактно-стесненных оболочечных конструкций уже на этапе их проектирования.

Литература
  1. Васильев В.В., Мороз Н.Г. Композитные баллоны давления. Проектирование, расчет, изготовление и испытания: справ. пособие. М.: Машиностроение; Инновационное машиностроение, 2015. 373 с.
  2. Москвичев В.В., Лепихин А.М., Буров А.Е., Доронин С.В. Расчетно-экспериментальная оценка прочности и предельных состояний композитных конструкций космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2019. Т. 3, № 3 (29). С. 140–148. DOI: 10.26732/2618-7957-2019-3-140-148
  3. Gavriilidis I., Karamanos S.A. Influence of lined pipe fabrication on liner wrinkling // Proceedings of the ASME 38th International Conference on Ocean, Offshore & Arctic Engineering, OMAE 2019. Glasgow, Scotland, UK. June 2019. 10 p. DOI: 10.1115/OMAE2019-95743
  4. Li Z., Zheng J., Meng L., Xingxing Z., Hu X. Nonlinear stability analysis of thin-walled steel pipe confined in soft bilayer medium // Engineering Structures. 2019. Vol. 196. Art. no. 109318. 9 p. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109318
  5. Егоров А.В. Программно-ориентированный подход к анализу перемещений в контактно-стесненных оболочечных конструкциях // Инженерный журнал: наука и инновации. 2020. Вып. 4 (100). 20 с. DOI: 10.18698/2308-6033-2020-4-1976
  6. Egorov A.V. Technological stability of the liner in a separable metal composite pressure vessel // SAE Int J Aerosp. 2020. Vol. 13, no. 1. 15 p. DOI: 10.4271/01-13-01-0005
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.