|
Электронный научно-практический журнал «МОЛОДЕЖНЫЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» ИЮНЬ 2017 |
|
|
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ |
|
Электронный научно-практический журнал «МОЛОДЕЖНЫЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» ИЮНЬ 2017 |
|
|
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ |
МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана
РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЖЕСТКОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ КОРПУСА РКТ, С ЦЕЛЬЮ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ
Карташов А.А., Тумор С.В., Малашин А.А.
Аннотация
В процессе проектирования корпусов космических ракет наиболее важную часть имеет выбор материала, из которого будет изготовлена конструкция. Для того чтобы оптимально произвести данный выбор - требуется провести расчет на прочность жесткость и устойчивость методом конечных элементов. В данной работе представлены расчеты корпуса приборного отсека, ракетоносителя «Ангара», с вариацией материалов и выбором наиболее оптимального для изготовления данной конструкции.
Ключевые слова: прочность, жесткость, устойчивость, проектирование корпусов космических ракет.
Annotation
CALCULATION OF THE STIFFNESS AND STABILITY OF THE RKT BODY FOR STRENGTH IN ORDER TO SELECT THE OPTIMAL MATERIAL FOR THE CONSTRUCTION
Kartashov A.A., Tumor S.V., Malashin A.A.
In the process of designing space rocket shells, the most important part is the choice of the material from which the structure will be made. In order to optimally make this choice - it is required to calculate the strength of the rigidity and stability of the finite element method. In this paper, calculations are made for the body of the instrument compartment, the Angara launch vehicle, with the variation of materials and the choice of the most optimal for the construction of this structure.
Keywords: Strength, rigidity, stability, the design of space rocket shells.
Основная часть
ракетоноситель материал прочность устойчивость
Для того чтобы определить, какой материал использовать для изготовления отсека приборного ракетоносителя «Ангара» требуется произвести расчет на прочность жёсткость и устойчивость конструкции из углепластика, органопластика и стеклопластика.
Корпус отсека приборного представляет собой коническую оболочку из композиционных материалов в виде сетчатой структуры с верхним торцевым шпангоутом и 32 фитингами. Сетчатая структура состоит из спиральных и кольцевых ребер, выполненных из углеродного жгута. Верхний торцевой шпангоут служит для соединения корпуса отсека приборного с переходной системой для установки полезной нагрузки. Фитинги, расположенные внизу отсека с помощью болтов прикреплены к алюминиевому шпангоуту опорной фермы.
Общий вид конструкции представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 Общий вид конструкции
Для расчета выбирались 3 материала, с помощью которых можно реализовать изготовление этой конструкции:
- углепластик; - органопластик; - стеклопластик.
В таблице 1 приведены физико-механические характеристики материалов, используемых в расчете.
Таблица 1
Физико механические характеристики углепластика, органопластика и стеклопластика
|
Наименование |
Углепластик |
Органопластик |
Стеклопластик |
|
|
Модуль упругости в направлении армирования Е1, ГПа |
161 |
100,4 |
18 |
|
|
Коэффициент Пуассона m1 |
0,3 |
0,28 |
0,1 |
|
|
Предел прочности при сжатии в направлении армирования s-1, МПа |
480 |
237 |
225 |
|
|
Предел прочности при растяжении в направлении армирования s1, МПа |
850 |
241 |
141 |
Ребра сетчатой структуры корпуса отсека приборного описывали плоскими четырехузловыми ортотропными элементами. [1] Фитинги моделировали плоскими
четырехузловыми изотропными элементами. Модель приборного отсека в 32 точках прикреплена к опорному шпангоуту. Опорный шпангоут закреплялся от линейных перемещений по всем степеням свободы. Общий вид конечноэлементной модели представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 Общий вид конечноэлементной модели
Нагрузки были приложены на верхний шпангоут отсека приборного посредствам жесткого элемента (MPC) [2]. Конструкция рассчитывалась на два вида нагружения:
- максимальное сжатие действующее на конструкцию - осевая сжимающая сила T = -30 тс, и боковая сила Q = 20 тс;
- максимальное растяжение действующее на конструкцию - осевая растягивающая сила T = 30 тс, и боковая сила Q = 20 тс.
При расчетном случае максимальное сжатие - максимальные сжимающие напряжения возникают в зоне опорного шпангоута в спиральных ребрах в случае конструкции из органопластика и углепластика (рисунок 3), в случае конструкции из слеклопластика напряжения возникают в зоне фитингов (рисунок 4).
Рисунок 3 Максимальные сжимающие напряжения, возникающие в зоне опорного шпангоута в случае углепластиковой и органопластиковой детали
Рисунок 4 Максимальные сжимающие напряжения, возникающие в зоне опорного шпангоута в случае стеклопластиковой детали
В расчетном случае - максимальное растяжение зона максимальных растягивающих напряжений схожа с зоной при расчетном случае максимальное сжатие, а именно у углепластиковой и органопластиковой детали напряжения возникают в зоне опорного шпангоута, а у стеклопластиковой детали в зоне фитингов.
При расчетном случае - максимальное сжатие общее деформированное состояние корпуса отсека приборного для всех вариаций материалов в конструкции имеет схожий вид (отличаются только значения деформаций) и представлено на рисунке 5.
Рисунок 5 Общее деформированное состояние корпуса при максимальном сжатии
При расчетном случае - максимальное растяжние общее деформированное состояние корпуса отсека приборного представлено на рисунке 6.
Рисунок 6 Общее деформированное состояние корпуса при максимальном растяжении
На рисунках 5-6 синим цветом изображено исходное (недеформированное) состояние корпуса, а черным деформированное.
При расчетном случае - максимальное сжатие форма потери устойчивости корпуса отсека приборного для всех вариаций материалов в конструкции имеет схожий вид (отличаются только коэффициенты запаса устойчивости) и представлена на рисунке 7.
Рисунок 7 Форма потери устойчивости конструкции
Синим цветом на рисунке 7 изображено исходное, до потери устойчивости состояние корпуса, а черным форма потери устойчивости.
В таблицах 2 - 4 представлены результаты расчета на прочность жесткость и устойчивость данной контсрукции.
Таблица 2
Максимальные напряжения и соответствующие коэффициенты запаса прочности при расчетных случаях - сжатие и растяжение
|
Материалы, используемые в конструкции |
Расчетный случай - сжатие |
Расчетный случай - растяжение |
|||
|
Максимальные напряжения, у кгс/мм2 |
Коэффициент запаса прочности, з |
Максимальные напряжения, у кгс/мм2 |
Коэффициент запаса прочности, з |
||
|
Углепластик |
20,8 |
2,3 |
20,9 |
4,06 |
|
|
Органопластик |
20,1 |
1,2 |
20,1 |
9,8 |
|
|
Стеклопластик |
14,3 |
1,04 |
14,3 |
1,3 |
Таблица 3
Максимальные осевые и радиальные деформации при расчетных случаях - сжатие и растяжение
|
Материалы, используемые в конструкции |
Расчетный случай - сжатие |
Расчетный случай - растяжение |
|||
|
Осевая деформация, ео мм |
Радиальная деформация, ер мм |
Осевая деформация, ео мм |
Радиальная деформация, ер мм |
||
|
Углепластик |
1,06 |
1,53 |
1,06 |
1,53 |
|
|
Органопластик |
2,47 |
2,39 |
1,65 |
2,39 |
|
|
Стеклопластик |
8,03 |
1,21 |
8,06 |
1,21 |
Таблица 4
Минимальные коэффициенты запаса устойчивости для расчетного случая сжатие для конструкции с вариацией материалов
|
Материалы, используемые в конструкции |
Расчетный случай - сжатие |
|
|
Коэффициенты запаса устойчивости, зуст |
||
|
Углепластик |
2,23 |
|
|
Органопластик |
1,43 |
|
|
Стеклопластик |
0,27 |
Выводы
Проведенное исследование показало, что конструкцию наиболее эффективно изготавливать конструкцию из углепластика. Органопластик также подходит для изготовления конструкции, но этот материал обеспечивает уровень прочности меньше чем у углепластика. Стеклопластик не подходит для изготовления конструкции, так как конструкция теряет устойчивость от максимальных сжимающих нагрузок.
Список литературы
1. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC.visualNastran for Windows // серия «Проектирование», издательство ДМК. Москва 2004.
2. Рычков С. П. Моделирование конструкций в среде MSC.visualNastran для Windows // серия «Проектирование и моделирование», издательство NT Press. Москва 2004.