Выбор параметров схемы оребрения интегральной композитной конструкции отсека летательного аппарата

Язык труда и переводы:
УДК:
629.7.012
Дата публикации:
19 января 2022, 00:12
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Аннотация:
Рассмотрены вопросы разработки методики проектирования композитных конструкций конических отсеков летательных аппаратов с изогридным оребрением. Разработано программное обеспечение на языке APDL для создания геометрических моделей конических отсеков. Проанализированы результаты моделирования напряженно-деформированного состояния корпуса отсека при использовании различных расчетных схем. Проведена оптимизация параметров схемы оребрения модельного конического отсека и выбраны ее рациональные параметры.
Ключевые слова:
композиты, сетчатые конструкции, проектирование, оптимизация
Основной текст труда

В ракетной и космической технике при создании отсеков летательных аппаратов широко используются классическая (набор стрингеров и шпангоутов) и вафельная схемы подкрепления их оболочек. Однако, в настоящее время в обтекателях, адаптерах, цилиндрических и конических сухих отсеках находят применение конструкции с изогридной схемой подкрепления [1, 2].

При проектировании конструкций авиационно-космической отрасли ставится задача повышения весового совершенства конструкции [3]. Одним из возможных путей ее достижения является переход к использованию композиционных материалов, обладающих уникальным сочетанием физических и механических характеристик. Применение композиционных материалов требует создания новых методик проектирования конструкций, которые в полной мере учитывают все их особенности (например, высокую управляемую анизотропию характеристик) и опираются на современные численные методы моделирования и оптимизации конструкций.

Объектом исследования в данной работе был выбран модельный отсек летательного аппарата. Отсек строился по интегральной силовой схеме и включал в себя коническую оболочку высотой 500 мм, при диаметре верхнего основания 300 мм и нижнего — 500 мм, с толщиной стенки 2 мм. Для обеспечения необходимой прочности и жесткости корпуса отсека применялось ее изогридное оребрение, которое включало в себя систему кольцевых и спиральных ребер шириной 2 мм. Считалось, что корпус отсека нагружен равномерным внешним давлением в 26 500 Па, а также сжимающей осевой силой в 10 000 Н и перерезывающей силой в 2500 Н, приложенной к верхнему основанию конической оболочки. Считалось, что свойства углепластика соответствуют IM7/8552 [4].

Рассматривалась задача оптимизации параметров силовой схемы композитного отсека, которая состояла в снижении ее массы при наложении ограничений на уровень напряжений в элементах. Варьируемыми параметрами при этом являлись высота и количество ребер.

Сложной проблемой является создание полностью параметризованной геометрической модели отсека. Так как построение различных вариантов конструкции в ручном режиме является крайне трудоемким процессом, то разработано специализованное программное обеспечение на языке APDL.

Важным вопрос, во многом определяющим точность моделирования и необходимые затраты вычислительных ресурсов, является рациональный выбор параметров конечно-элементной схемы. Были рассмотрены два подхода к моделированию напряженно-деформированного состояния отсека. В первом случае все элементы конструкции рассматриваются как тонкостенные оболочки, и оболочка отсека разбивается на четырехузловые плоские элементы с 24 степенями свободы, а для ребер применяются двухузловые балочные элементы. Во втором случае вся конструкция отсека рассматривается как трехмерное твердое тело и целиком разбивается на четырехузловые трехмерные тетраэдральные элементы.

Показано, что использование двумерных конечных элементов позволяет существенно сократить время расчета при малой потере точности моделирования, что позволило выбрать первую расчетную модель.

Для выбранной расчетной модели была решена задача оптимизации параметров оребрения композитного отсека. При этом количество спиральных ребер варьировалось от 4 до 24, а кольцевых — от 1 до 6, высота ребра при этом варьировалась в диапазоне от 1 до 3 мм. В итоге были получены зависимости массы отсека от набора варьируемых параметров и выбраны рациональные варианты схемы оребрения.

 

Литература
  1. Васильев В.В., Барынин В.А., Разин А.Ф., Петроковский С.А., Халиманович В.И. Анизогридные композитные сетчатые конструкции — разработка и приложение к космической технике // Композиты и наноструктуры. 2009. № 3. С. 38–50.
  2. Terashima K., Kamita T., Aoki T., Yokozeki T., Kimura G., Uzawa T. Experimental study of buckling properties of composite lattice structures for launcher application // ECCM16 — 16th European conference on composite materials. Seville, Spain, 22–26 June 2014. 8 p.
  3. Феодосьев В.И. Основы техники ракетного полета. М.: Наука, 1981. 496 с.
  4. Marlett K., Ng Y., Tomblin J. Hexcel 8552 IM7 unidirectional prepreg 190 gsm & 35%RC qualification material property data report. FAA Special Project Number SP4614WI-Q, 2011. 238 p.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.