Материал: Погорелов В.И.-Прочность и устойчивость тонкостенных конструкций

между стрингерами – продольными ребрами tс, высота их b определяется из (7.35) , а толщина h из (7.41).

Расстояние между кольцами-шпангоутами рекомендуется принимать в диапазоне l = (0,8 ÷1,5)tc .

Повторяя многократно расчеты размеров и массы отсека при различных σкр, находим точку экстремума, которая и будет определять окончательные конструктивные характеристики отсека.

114

8. РАСЧЕТ БАКОВ НА ПРОЧНОСТЬ

Баки для хранения компонентов топлива составляют большую часть корпуса ракеты на жидком топливе и в значительной мере определяют массу его конструкции. Правильный выбор конструктивно-силовой схемы бака и точный расчет его на прочность позволяют обеспечить условие минимума сухого веса конструкции изделия. Вне зависимости от выбора конструктивнокомпоновочной схемы баков, все они должны удовлетворять следующим требованиям:

1.Объем бака должен обеспечить размещение внутри него необходимого количества компонента с учетом температурного диапазона использования изделия.

2.Внешние обводы бака должны быть по возможности плавными и не нарушать аэродинамической симметрии ракеты.

З. Бак должен быть прочным и устойчивым во всех случаях наземной и полетной эксплуатации.

4.Бак должен иметь минимальный вес, что достигается не только выбором легких и прочных материалов, но и выбором оптимального варианта конструктивно-компоновочной схемы.

8.1. Выбор расчетного случая

Рассмотрим баки несущей схемы, в которых стенка корпуса одновременно служит и корпусом ракеты. Основным расчетным случаем для бака с вытеснительной системой подачи топлива является нагружение его максимальным внутренним давлением при наибольшем нагреве его оболочки. Коэффициент безопасности для таких баков принимается в диапазоне 1,15 ≤ f ≤1,3.

Расчетный случай для баков несущей схемы с турбонасосной системой подачи топлива в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя выбирается по методу условной нагрузки, которая определяется по меридиональным напряжениям, возникающим в его корпусе, с учетом нагрева стенок при полете ракеты по траектории. Определение расчетного случая начинается с расчета осевой силы N, изгибающего момента M и нагрева стенки бака по всему участку траектории, на котором этот бак работает. Далее определяется условная нагрузка для всей траектории по формулам

115

= Nэ 2πR δ . Тогда эквивалентная по напряжениям осевая сила

Nэ = 2Му R + Ny − py πR2 .

Построив график зависимости Nэ от времени, можно найти точку траектории, в которой эти силы достигают максимума. Она и будет расчетной для определения несущей способности корпуса бака.

Характер изменения нагрузок на активном участке траектории, которые необходимо определить для установления расчетного случая, иллюстрируется рис. 52. Коэффициент безопасности для баков несущей схемы с ТНА можно принимать в диапазоне f = (1,5…1,75). В практике проектирования принято проводить расчет обечайки бака для нескольких расчетных случаев, которые гарантируют его работоспособность в основном расчетном случае. К ним относятся следующие режимы эксплуатации изделия: максимальное давление наддува в баке; максимальные осевые перегрузки; случай предстартовой подготовки, когда бак не надут (изделие заправленное и сухое); максимальная осевая сила; максимальные поперечные перегрузки.

Рис. 52. Определение расчетного случая обечайки

116

Кроме того, как и всякая ракетная конструкция, бак просчитывается на все случаи наземной эксплуатации: подъем краном, транспортировка, заправка баков компонентами, подъем изделия в вертикальное положение, максимальная ветровая нагрузка, максимальный перепад температур (для баков с ампулизированной заправкой).

Назначение и выбор расчетных случаев при наземной эксплуатации, в процессе подготовки и при старте определяются путем тщательного анализа всех возможных условий использования конкретного изделия.

8.2. Напряжения в цилиндрических обечайках

Для расчета прочности и устойчивости бака необходимо иметь следующие исходные данные: конструктивно-компоновоч- ную схему или чертеж бака, значение нагрузок для всех расчетных случаев.

Перерезывающая сила, действующая на бак, создает касательные напряжения, которые малы по сравнению с нормальными, и ими обычно пренебрегают.

Сначала необходимо определить расчетные нагрузки, действующие на бак, помножив соответствующие эксплуатационные нагрузки на коэффициент безопасности, т.е.

Np = fN(x1 ); M p = fM (x1 ); pp = fp(x1 ).

Если в рассматриваемом расчетном случае корпус бака подвержен нагреву, то расчетные нагрузки определяются с учетом коэффициентов kE и kb, которые обычно находятся в диапазоне

1,15 … 1,35.

Давление на стенки бака в той части его объема, где находится жидкость, можно определить по барометрической формуле

p(x1 )= pн +ρgnx1x ,

где x – расстояние от поверхности жидкости до точки, в которой определяется давление; pн – давление наддува; ρ – плотность жидкости; nx1 – осевые перегрузки.

В общем случае расчет корпуса на прочность проводится для двух его сечений, в которых обечайки соединяются с днищами.

117

Анализ нагрузок, действующих на корпус бака, может показать, что достаточно ограничиться расчетом одного из двух сечений. Примером такого случая может служить бак с вытеснительной системой подачи топлива. Если в баке возникают сжимающие меридиональные напряжения, то обечайка может потерять устойчивость, однако критические напряжения потери устойчивости теперь необходимо вычислить с учетом поправки на внутреннее давление, которое "расправляет" начальные геометрические несовершенства. В формуле для критических напряжений

коэффициент k можно определить в виде суммы двух слагаемых

[14]: k = k0 + kр , где k0 = 9(δR)0,6 +0,16(Rl)1,3 (δR)0,3 ; R,l –

радиус и длина цилиндрической обечайки; δ – толщина стенки; kр = 0,191( pн E)(R δ)2 . Последнее выражение справедливо до

kp = 0,299, после чего оно принимается постоянным.

Таким образом, внутреннее давление не только уменьшает осевую, сжимающую силу, действующую на бак, но и повышает критические напряжения потери устойчивости.

В [9] предложена другая зависимость для вычисления коэффициента k из (8.1):

где p = ( pн E)(Rδ)2 – безразмерный параметр давления надду-

ва в баке.

Иной подход к расчету этого коэффициента предложен в [3, 36]. Коэффициент k представляется в виде произведения двух коэффициентов: k = k1kp , где значение k1 вычисляется как обычно, а коэффициент повышения критического напряжения – по формуле

118