Комбинированные расчетно-аналитические методы определения прочности и живучести типовых зон авиационных конструкций, изготовленных из композитов

Технический прогресс XX века потребовал создания новых конструкционных материалов с высокой прочностью и жесткостью на полимерной, металлической и керамической основе. В середине 50-х годов в авиастроении начал разрабатываться новый класс материалов — полимерных композиционных материалов (ПКМ) или композитов. Реализация разработок этого типа привела в начале 70-х годов к широкому применению композитов в производстве летательных аппаратов.

Обладая высокими удельными прочностными и жесткостными характеристиками, стойкостью к зарождению и развитию трещин, инертностью по отношению к окружающей среде и различным агрессивным средам, их внедрение требует решения многих проблем — разработки материалов с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами при их низкой стоимости, принципов проектирования, учитывающих особенности ПКМ, принципов формирования экономичной и высокопроизводительной технологии изготовления.

Накопленный опыт по применению ПКМ показывает, что наиболее эффективным является путь, при котором планер или несущая система сразу проектируются с учетом свойств и особенностей ПКМ. При создании высоконагруженных многофункциональных агрегатов, достигается эффект не только за счет снижения массы, но и уменьшения количества входящих в агрегат деталей. В связи с этим вопросы разработки новых методов расчета для получения эффективных конструкторских решений как при проектировании новых изделий, так и при восстановлении их прочности в процессе эксплуатации являются актуальными.

Исследования в области создания новых ПКМ, способов изготовления и проектирования конструкций из этих материалов приводились в трудах отечественных и зарубежных исследователей Аскани Л. 1], Баллока У. 68], Васильева В. В. 14], Кутьи-нова В.Ф. 37], Литвинова В. Б. 51], Образцова И. Ф. 43], Протасова В. Д. 47], Сиротки-на О.С. 51], Царахова Ю. С. 65], Ушакова А. Е. 59] и др.

Проблема эффективного использования ПКМ в агрегатах планера связана с решением двух вопросов:

— обеспечения создания агрегатов планера, состоящих из крупногабаритных, высокопрочных частей, включающих в свой состав наряду с трехслойными конструкциями элементы силового набора, как неотъемлемые ее части;

— создание нерегулярных зон в агрегатах, обеспечивающих необходимый ресурс и надежность всего агрегата в целом.

В зависимости от решения этих вопросов проблемы прочности разделяются на решении двух типов задач: общей прочности, связанной с определением напряженно — деформированного состояния (НДС) и устойчивости регулярных зон конструкцийместной прочности, связанной с определением НДС, коэффициентов концентрации напряжений (ККН) в нерегулярных зонах и коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в зонах повреждений.

Сложность поставленной задачи усугубляется отсутствием эффективных методик проектирования агрегатов из ПКМ. Необходимо отметить еще один важный аспект, вопрос выполнения высоконагруженных соединений (нерегулярных зон) в агрегатах из ПКМ, который усугубляется тем, что одновременно с конструкцией агрегата проектируется и создается сам ПКМ в нерегулярной зоне, обладающий в общем случае неограниченным количеством схем армирования и столь же большим разнообразием прочностных и деформативных свойств.

При оценке качества того или иного конструктивно-технологического решения нерегулярной зоны важную роль играет создание математических моделей соединения, способных моделировать как конструктивные элементы, так и связь с прочностью и живучестью.

Появление и развитие вычислительной техники привело к расширению области использования классических методов строительной механики, к эффективному их применению к математическому моделированию задач местной прочности. Роль математического моделирования в задачах прочности авиаконструкций существенно возросла в последние годы в связи с появлением современных ЭВМ и дискретных методов расчета.

Под математической (расчетной) моделью местной прочности авиационных конструкций будем понимать совокупность гипотез, взаимосвязей и данных, обеспечивающих решение задач прочности самолетных конструкций в ходе проектирования, производства и эксплуатации[50]. Математическая модель алгоритмирована, если она описана в понятиях доступных ЭВМ, и сформирована, если заданы все входные данные и параметры, необходимые для решения задач. В ходе функционирования модели путем обработки информации на ЭВМ формируются новые данные. Математическая модель отличается от реальной конструкции не только вследствие физико — механической и математической идеализации, но и из-за перевода характеристик конструкции на язык ЭВМ и последующей обработки.

Последовательная и строгая запись основных уравнений строительной механики в матричном виде[29] позволила объединить различные методы строительной механики в одно целое — метод конечных элементов (МКЭ), что привело к использованию их не только при расчете стержневых систем, но и для исследования континуальных сред, подкрепленных оболочек и пластин, как в физически линейной, так и в физически нелинейных постановках.

Использование этого метода основывается на дискретизации континуальной среды, т. е. на замене ее набором конечного числа определенным образом связанных между собой элементов с некоторым заранее принятым распределением напряжений (усилий) или перемещений между их узловыми точками. Известно большое число дискретных схем, используемых при расчете различных конструкций. Классификация идей, лежащих в основе построения таких схем, рассмотрена в [44].

В настоящее время широкое распространение получили способы дискретизации, основанные на моделировании действительной работы конструкции посредством расчленения ее на элементы и выделения главных функций, выполняемых каждым из них. Процесс подобной дискретизации в общем аналогичен решению задач теории упругости прямыми вариационными методами. Искомая функция выражается через некоторые известные аппроксимирующие функции и коэффициенты или функции, подлежащие определению. В зависимости от того, решается задача в напряжениях (метод сил) или в перемещениях (метод перемещений), аппроксимирующие функции представляют собой возможное распределение напряжений (усилий) или перемещений в конструкции, в некоторой ее части или элементе. Неизвестные коэффициенты или функции определяются затем с помощью основных принципов механики деформируемых тел — принципа возможного изменения напряженного состояния или принципа возможных перемещений.

Современные программы расчета прочности на основе МКЭ используют электронные вычислительные машины (ЭВМ) не только и не сколько, как быстрый арифмометр, но и как средство обработки логической информации. Эта особенность использования ЭВМ позволяет создавать программы достаточно универсальными и обладающими большими возможностями. За рубежом для расчета НДС в авиации широкое распространение получили такие программы, как NASTRAN, ANSYS, SAP, ADINA, COSMOS. На базе МКЭ созданы отечественные программы расчета общей прочности, которые широко используются в ОКБ авиационной промышленности стран СНГ: МАРС, ДИАНА, ОТСЕК, ФРОНТ. Перечисленные программы в основном предназначены для решения задач общей прочности и не могут моделировать все физикомеханические эффекты, свойственные задачам местной прочности.

Цель диссертации. Разработка, обоснование и внедрение новых комбинированных методов расчета прочности и живучести типовых расчетных зон авиационных конструкций, изготовленных из композиционных материалов, реализация этих методов в вычислительный комплекс программ для применения как на стадиях проектирования, так и при проведении ремонтных доработок изделий, находящихся в эксплуатации.

Реализация работы. Выполненная работа непосредственно связана с тематическим планом института, хозяйственными договорами с предприятиями отрасли, а также с выполнением зарубежных контрактов ЦАГИ.

Научная новизна подходов и результатов, вынесенных на защиту, состоит в следующем:

1. Разработаны новые комбинированные модели для описания типовых расчетных зон авиационных конструкций, учитывающих в себя работу композитных обшивок и элементов крепежа в виде болтов, заклепок и клея.

2. Предложены комбинированные расчетно-аналитические методы определения напряженно — деформированного состояния, прочности и живучести типовых расчетных зон авиационных конструкций, изготовленных из композиционных материалов при наличии дискретных и нелинейных континуальных связей в двумерных и трехмерных постановках.

3. Разработан численный метод решения физически нелинейных задач расчета элементов авиационных конструкций. Исследована сходимость метода и предложена формула для ускорения процесса сходимости.

4. Для определения прочности композитных конструкций с концентраторами напряжений и условий разрушения клеевого слоя предложены силовые и деформационные критерии, достоверность которых подтверждена экспериментально.

5. Проведены параметрические исследования ряда прикладных задач местной прочности, характеризующих поведение ортотропных тонкостенных и объемных тел при воздействии одноосных и комбинированных нагрузок. На основании выполненных исследований установлены новые закономерности в распределении напряженно-деформируемого состояния (НДС) и перераспределении усилий в дискретных и континуальных (клеевых) связях.

Достоверность разработанных в диссертации методов подтверждается результатами лабораторных и натурных испытаний, численными экспериментами, аналитическими и экспериментальными данными литературных источников.

Практическая ценность работы заключается в реализации разработанных методов и алгоритмов в специализированный вычислительный комплекс программ ФИТИНГ, который нашел широкое применение в ОКБ авиационной промышленности. С его помощью в ЦАГИ выполнены многочисленные исследования прочности перспективных узлов авиаконструкций стран СНГ и проведены расчеты на прочность сложных узлов конструкций непосредственно в АНТК им. Туполева, АНТК им. Антонова, МАЛО «МИГ», АООТ «ОКБ Сухого», ЭМЗ им. Мясищева, УВЗ им. Ка-мова, АО НПП «Аэросила» (г Ступино) на этапах создания и эксплуатации авиационной техники: Ту-144ЛЛ, Ту-154, Ту-204, Ан-74, Ан-124, Миг-23, Миг-29, Су-27, Су-29, Ил-86, М-17, «Гжель», К-32, К-62. Кроме предприятий авиационной промышленности ФИТИНГ внедрен в ряде других организаций как России (ВНИИМЕТМАШ, ЦНИ-ИПСК им. Мельникова), так и зарубежом (Республика Корея — КАШ, КНР-г. Шеньян).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXII — научных чтениях по космонавтике (Москва, ИИУТ РАН, 1998 г.), на конференциях молодых ученых ЦАГИ (Жуковский, 1997, 1998 гг.), на международных конференциях (САМР1—Москва, 1994 г., Ау1аиоп-2000—Жуковский, 1997 г., Китай (Сиань)—1998 г.).

Основное содержание диссертации изложено в 10 печатных работах, которые опубликованы в отечественных и зарубежных изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературных источников из 93 наименований. Работа изложена на 115 страницах, включающих 57 рисунков, 23 таблицы. Краткое содержание по главам:

Основные результаты и выводы.

1. Разработаны новые комбинированные модели для описания типовых расчетных зон авиационных конструкций, включающие в Себя работу композитных обшивок и элементов крепежа в виде болтов, заклепок и клея.

2. Предложены комбинированные расчетно-аналитические методы определения напряженно — деформированного состояния, прочности и живучести типовых расчетных зон авиационных конструкций, изготовленных из композиционных материалов при наличии дискретных и нелинейных континуальных связей в двумерных и трехмерных постановках.

3. Разработан численный метод решения физически нелинейных задач расчета элементов авиационных конструкций. Исследована сходимость метода и предложена формула для ускорения процесса сходимости.

4. Для определения прочности композитных конструкций с концентраторами напряжений и разрушения клеевого слоя предложены силовые и деформационные критерии, достоверность которых для отечественных материалов подтверждена экспериментально.

5. Проведены параметрические исследования ряда прикладных задач местной прочности, характеризующих поведение ортотропных тонкостенных и объемных тел при воздействии одноосных и комбинированных нагрузок. На основании выполненных исследований установлены новые закономерности в распределении НДС и перераспределении усилий в дискретных и континуальных (клеевых) связях.

6. Предложенные алгоритмы реализованы в вычислительном комплексе программ ФИТИНГ расчета параметров местной прочности элементов композиционных авиационных конструкций.

7. Результаты, полученные в диссертации, и разработанные программные средства внедрены в организациях УВЗ им. Камова, ЭМЗ им. Мясищева, АНТК 'Антонов', ВНИИМЕТМАШ, ЦНИИПСК им. Мельникова.