Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

ІВАНОВСЬКА ОЛЬГА ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 629.7: 678.5

МЕТОДИ ПРОЕКТУВАННЯ МЕТАЛОКОМПОЗИТНИХ БАЛОНІВ

ВИСОКОГО ТИСКУ ДЛЯ СИСТЕМ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

І КОНВЕРСІЙНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Спеціальність 05.07.02 – проектування

літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Гайдачук Віталій Євгенович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський

авіаційний інститут”, зав. кафедрою

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Рябков Віктор Іванович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський

авіаційний інститут”, зав. кафедрою

кандидат технічних наук, доцент

Дібір Олександр Геннадійович,

Національний технічний автодорожній

університет, доцент

доктор технічних наук, старший

науковий співробітник

Забашта Володимир Федорович,

ВАТ “УкрНДІАТ”,

головний науковий співробітник

Провідна установа: Авіаційний науково-технічний комплекс

ім. О.К. Антонова Міністерства промислової

політики України, м. Київ

Захист відбудеться 17 травня 2002 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.03 у Національному аерокосмічному університеті ім. Жуковського “ХАІ”, за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. Жуковського “ХАІ”, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

Автореферат розісланий 8 квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Саприкін В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Балони високого тиску (БВТ) широко використовуються в системах функціонування і життєзабезпечення усіх типів авіаційної і ракетно-космічної техніки (АРКТ).

Вимоги до їхніх надійності і ресурсу постійно зростають. У той же час вартість польотної маси літальних апаратів (ЛА) досягає 10000 доларів США за 1 кг, що робить проблему зниження маси АРКТ надзвичайно важливою і актуальною.

Застосування композиційних матеріалів (КМ) і сучасних технологій виробництва з них виробів стало одним з ефективних шляхів вирішення цієї проблеми для АРКТ у цілому і БВТ - зокрема.

Проте різноманітні умови експлуатації цих виробів в ЛА потребують їхнього врахування у загальній концепції і методах проектування металокомпозитних балонів, які досі не розроблені достатньо повно. Це стримує широке застосування металокомпозитних БВТ, яке, як показує вітчизняний і закордонний досвід, що базується на емпіричному підході, має істотні резерви зниження маси при забезпеченні високої надійності, ресурсу і прийнятної вартості. У зв'язку з цим розробка методів оптимального проектування металокомпозитних БВТ для різноманітних ЛА є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основу дисертації складають матеріали, що узагальнюють дослідження, виконані автором у рамках реалізації держбюджетних тем Г 403-32/97, ДР № 0198U02224 на 1997-1999 рр. за напрямком “Теоретичні основи проектування і створення перспективної авіакосмічної техніки” і Г 403-22/00, ДР № 0100U003445 на 2000-2002 рр. “Наукові основи проектування літальних апаратів з нових матеріалів з врахуванням технологічних, експлуатаційних та екологічних чинників” Міністерства освіти і науки України, а також Національної космічної програми України на 1998-2002 рр.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертації є підвищення масової досконалості, надійності, ресурсу та економічної ефективності металокомпозитних БВТ для систем ЛА при різноманітних умовах їхньої експлуатації.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані і вирішені такі задачі:

1. Запропонована й обґрунтована нова концепція проектування металокомпозитних балонів високого тиску, що враховує специфічні умови їхньої експлуатації і можливості сучасних технологій формоутворення металевих і композитних конструкцій.

2. Розроблено метод проектування металокомпозитних БВТ одноразового короткочасного використання в системах ЛА і його модифікації стосовно металопластикових балонів одноразового використання після тривалого зберігання під робочим тиском.

3. Розроблено метод проектування металопластикових БВТ багатократного використання, які навантажуються циклічними навантаженнями, і його модифікацію, що враховує можливості використання гібридних КМ.

4. Впровадження результатів дослідження в організаціях, які виробляють АРКТ і конверсійних напрямків.

Об'єктом дослідження є металокомпозитні БВТ для АРКТ і конверсійного призначення.

Предметом дослідження є методи проектування металокомпозитних БВТ для основних видів їхньої експлуатації в АРКТ і конверсійних напрямках.

Методи дослідження. При розробці концепції проектування металопластикових БВТ використано методи системного аналізу. При створенні методів проектування БВТ використано фундаментальні положення механіки деформування і руйнування твердого анізотропного тіла, механіки конструкцій із композиційних матеріалів. При експериментальних дослідженнях використано методи планування експерименту, тензометрії, стандартні методи обробки результатів випробувань, а також стандартне і спеціальне устаткування.

Наукова новизна отриманих результатів:

-

-

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів.

Результати дозволили:

-

-

-

-

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних і практичних розробок дисертації належить здобувачу особисто. З шести статей чотири опубліковані без співавторства.

Експериментальні дослідження виконані разом із співробітниками Національного аерокосмічного університету ім. М. Є.Жуковського “ХАІ” і ВАТ “Горизонт”.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, розділи і результати роботи доповідались на конференціях професорсько-викладацького складу Національного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “ХАІ” (м. Харків, 1997-2001 рр.), на НТР УкрНДІТМ (м. Дніпропетровськ, 2000 р.), на 9-й Міжнародній конференції “Нові технології в машинобудуванні” (с. Рибаче, 2000 р.)

Публікації. Основний зміст роботи викладено в 6 статтях у збірниках наукових праць, що входять до Переліку ВАК України (бюл. 4, 1999 р.) і у двох тезах доповідей конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, додатків, викладена на 154 стор. машинописного тексту, у тому числі власне текст дисертації складає 118 стор., містить 54 ілюстрації, 19 таблиць і список використаних джерел з 156 найменувань.

ОСНОВНий зміст РОБОТИ

У вступі коротко викладений сучасний стан проблеми, актуальність дослідження, сформульовані мета і задачі дисертації, наукова новизна, практична цінність роботи, особистий внесок здобувача, наведені дані про апробацію роботи, публікації, структуру і обсяг дисертації.

У першому розділі проведені огляд і аналіз стану проблеми проектування БВТ для функціональних систем АРКТ, наведені дані про основні матеріали і конструктивно-технологічні рішення досліджуваного класу виробу, тенденції і перспективність створення металокомпозитних БВТ для основних типових умов їхньої експлуатації в ЛА. Відзначено внесок вітчизняних і закордонних вчених у вирішення проблеми проектування оптимальних за масою БВТ із застосуванням полімерних КМ. Сформульовані мета і задачі дисертації.

Другий розділ присвячений розробці нової концепції проектування металокомпозитних БВТ.

На основі синтезу загальних і спеціальних вимог до БВТ для систем ЛА і їх наступного системного аналізу сформульовані й обґрунтовані основні складові технічного завдання (ТЗ) на проектування виробів даного класу (мал. 1).

Мал. 1. Основні складові ТЗ на проектування БВТ

Розкрито особливості конструкції БВТ, що витікають з вимог технічного завдання, які дозволяють орієнтуватися при проектуванні балонів за диференціальний принцип, який реалізується конструктивно-технологічними рішеннями основних елементів конструкції балона, спрямованими на сприйняття чітко виражених функцій, гармонізованих із відповідними навантаженнями шляхом застосування відповідних конструкційних матеріалів для лейнера і силової оболонки БВТ і технологій виготовлення виробу (мал. 2).

Проведений аналіз особливостей застосування БВТ в системах ЛА дозволив обґрунтовано виділити три основні випадки експлуатації балонів:

- одноразове короткочасне використання безпосередньо після зарядки робочим тілом;

- одноразове короткочасне використання після тривалого зберігання у зарядженому стані;

- багаторазове використання, пов'язане з багатоцикловим навантаженням виробу.

Показано, що кожний із цих випадків експлуатації потребує розробки специфічного для нього методу проектування БВТ.

Отримано аналітичну залежність, що дозволяє приводити двохосьовий деформований стан

Мал. 2. Деталізація складових особливостей металлопластикових БВТ

лейнера , до еквівалентного одноосьового на основі рівності енергії деформації

, (1)

де , - деформації лейнера в осьовому і окружному напрямках; - коефіцієнт Пуассона матеріалу лейнера.

На основі узагальнення отриманих у розділі результатів запропонована нова концепція проектування БВТ, що реалізована в процесі наступної розробки методів проектування основних підкласів досліджуваних виробів (мал. 3).

Мал. 3. Схема концепції проектування металопластикових БВТ

Третій розділ присвячений розробці методу проектування металопластикових балонів одноразового використання в системах ЛА.

Крім відомих передумов про пружність сімейства армуючого матеріалу (АМ) аж до руйнування при розробці методу використані еквівалентні деформації (1), нові умови оптимальності відношення між товщинами АМ у кільцевому і спіральному шарах при певному куті спірального намотування

, (2)

де , - напруження в спіральному і кільцевому шарах АМ у момент руйнування БВТ.

Експериментально встановлено, що , де , - деформації в спіральних і кільцевих шарах АМ; - коефіцієнт різної реалізації міцності спіральних і кільцевих шарів АМ, що залежить від технології процесу намотування та інших чинників.

З урахуванням цих передумов побудовано алгоритм методу оптимального проектування металокомпозитного БВТ (рис. 4) із цільовою функцією у вигляді максимуму масової досконалості БВТ :

, (3)

де - руйнуючий тиск; - об’єм балону; - площа бічної поверхні БВТ; , - щільність АМ і матеріалу лейнера; - товщина лейнера.

У розділі описана розроблена автором модифікація методу на випадок тривалого навантаження БВТ протягом днів, у якій параметри , та інші представлені з урахуванням реологічних характеристик зв'язуючого.

Приведено опис і блок-схема реалізації алгоритму модифікованого методу, у який як вихідні блоки входять блок результатів статичного розрахунку (мал. 4) і блок реологічних характеристик деформативності і міцності АМ.

Для КТР БВТ, у яких лейнер повністю включений у силову схему, запропоновано метод оптимального проектування виробу з кільцевим підмотуванням АМ у циліндричній зоні, реалізований для гібридного КМ. Метод орієнтований на оптимізацію БВТ за максимальною масовою досконалістю виробу або його мінімальною вартістю в залежності від призначення й умов експлуатації.

Запропоновані і реалізовані модифікації стержневої моделі деформування металокомпозитних БВТ і витікаючі з них аналітичні залежності для прогнозування еквівалентної деформації лейнера на ранніх стадіях проектування для оцінки потенційних можливостей матеріалів лейнера і АМ з різноманітними схемами їхньої гібридизації.

Розглянуто приклади реалізації різноманітних КТР БВТ і умов експлуатації, що свідчать про ефективність розроблених методів в аспекті вибору відповідних конструкційних матеріалів у залежності від умов експлуатації виробу і добре експериментальне підтвердження теоретичних результатів.

Мал. 4 Блок-схема реалізації методу

У четвертому розділі розроблено метод оптимального проектування металокомпозитних БВТ.

Експериментально було встановлено, що проектування БВТ на заданий ресурс необхідно проводити з урахуванням попередньо отриманих діаграм для матеріалів лейнера. Для їхнього одержання розроблене випробувальне устаткування і проведені випробування партій плоских зразків чотирьох матеріалів лейнера (мал. 5).

Отримані діаграми покладені в основу методу проектування БВТ на заданий ресурс.

Мал. 5. Залежність довговічності металів від амплітуди відносних деформацій: 1 - АМг-3; 2 - 07Х16Н6; 3 - АМцМ; 4 - 12Х18Н10Т; - експериментальні значення для сталі 12Х18Н10Т; - експериментальні значення для алюмінієвого сплаву АМцМ; - експериментальні значення для алюмінієвого сплаву АМг-3; Х - експериментальні значення для сталі 07Х16Н6

Розроблено інженерну методику визначення довговічності металевого лейнера БВТ, яка базується на залежності, що зв'язує довговічність із параметрами одноразового навантаження матеріалу лейнера. Методика задовільно узгоджується з результатами випробувань на втомленість лейнера:

, (4)

де - відносна деформація нульового напівцикла; - межа витривалості при віднульовому навантаженні; - модуль пружності; - показник ступеня, що залежить від співвідношення ; , - умовна межа текучості і межа міцності.

Розроблено модифікацію методу проектування металокомпозитних БВТ на статичне навантаження при використанні гібридних КМ для їхньої експлуатації на заданий ресурс, що базується на експериментально отриманих методом планування експерименту регресійних залежностях другого порядку функцій відгуків показників масової досконалості, напружень і деформацій у кільцевому й осьовому напрямках, а також еквівалентної деформації балона від коефіцієнтів гібридизації кільцевого шару і реалізації міцності .

, (км); (5)

, (х10, МПа); (6)

, (х10, МПа); (7)

, (%); (8)

, (%); (9)

, (%), (10)

де , , - окружні, осьові й еквівалентні деформації; - коефіцієнт, що характеризує співвідношення кількості скляного АМ до всього гібридного пакета кільцевого шару.

Розроблено методику раціонального проектування металопластикових БВТ на заданий ресурс при компромісі маси і вартості, яка забезпечує створення виробів максимальної ефективності для ЛА різноманітних класів і БВТ конверсійного призначення (мал. 6).

У п'ятому розділі викладені результати впровадження розроблених методів металокомпозитних БВТ на підприємствах України і Росії: УкрНДІТМ, АНТК “Антонов”, ВАТ “Горизонт” (мал. 7) і ін., а також у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.

Масова досконалість оптимальних металосклопластикових БВТ складає 6,5...6,6 км, а металоорганопластикових - 10,0…10,5 км, тобто по відношенню до балонів із легованої сталі, склопластикові балони досконаліші за масою в 1,6 разів, а органопластикові - у 2,4 рази.

У розділі також проведений аналіз перспектив розвитку й удосконалювання методів оптимального проектування БВТ з урахуванням сучасних умов розвитку АРКТ України і конверсійних напрямків, а також загальних проблем створення виробів із полімерних КМ.

Тип

балона | Конструктивні параметри балонів

hс мм | hк, мм | hл, мм | , град | МАМ, кг | Мсв,

кг | Мл, кг | Мб, кг | Вартість матер., у.е. | км

оптим-ий | 2,0 | 5,2 | 3,2 | 14,3 | 3,96 | 475·10-3 | 6,4 | 10,8 | 40,91 | 5,81

серійний | 4,6 | 11,3 | 1,5 | 14,3 | 8,78 | 1,05 | 3,0 | 14,4 | 62,5 | 4,38

металевий | ---- | ----- | 5,9 | ----- | ----- | ----- | 14,9 | 14,9 | 44,7 | 4,23

Мал. 6. Залежність маси і вартості матеріалів балона від товщини металу

лейнера для балона місткістю сім літрів виготовленого з склопластика

на робочий тиск Рраб=30 МПа. Ресурс 5000 циклів: 1 маса балона, кг;

2 вартість матеріалів балона, у.о.

Мал. 7. Металокомпозитні БВТ оптимальної конструкції

в апаратах різноманітного призначення ВАТ “Горизонт”.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

На основі проведених досліджень отримані такі результати:

1. Запропоновано й обґрунтовано нову концепцію проектування металокомпозитних балонів високого тиску для систем ЛА, основними складовими якої є:

-

-

-

-

-

-

2. Отримано аналітичну залежність, що дозволяє зводити двовісний деформований стан лейнера БВТ до еквівалентного одноосьового на основі рівності енергії деформації, що одержала експериментальне підтвердження з достатньої для цілей проектування точністю.

3. Розроблено метод оптимального проектування металокомпозитних БВТ одноразового використання при короткочасному навантаженні, що враховує основні особливості напружено-деформованого стану виробу, реалізований відповідним програмним забезпеченням на ПЕОМ.

4. Для металокомпозитних БВТ тривалого збереження під робочим тиском розроблена ефективна модифікація методу оптимального проектування, заснована на врахуванні повзучості і статичної втомленості армуючого матеріалу у кільцевих і спіральних шарах, що дозволяє проектувати вироби мінімальної маси з гарантованим терміном зберігання під робочим тиском.

5. Для конструктивно-технологічних рішень БВТ, що включають лейнер у силову схему, запропонована методика оптимального проектування виробу з кільцевим підмотуванням циліндричної зони гібридним КМ, орієнтована на оптимізацію виробу за максимальною масовою досконалістю або його мінімальною вартістю в залежності від призначення й умов експлуатації.

6. Отримано експериментальні залежності ресурсу матеріалів металевих лейнерів від еквівалентної деформації і розроблено метод проектування металопластикових БВТ багаторазовавого застосування при циклічному навантаженні, а також його модифікація, що враховує особливості гібридних КМ.

7. Реалізація методів оптимального проектування металокомпозитних БВТ у дослідному і серійному виробництві на підприємствах АРКТ і конверсійних напрямків України і Росії дозволила знизити масу виробів у 1,5...2,5 рази у порівнянні з металевими балонами.

8. Результати дисертації впроваджені у вигляді рекомендацій по проектуванню і програмного забезпечення в УкрНДІТМі, АНТК “Антонов”, у ВАТ “Горизонт” і підприємствах Росії, а також у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.

Основні результати дисертації викладені в таких публікаціях:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

АНОТАЦІЯ

Івановська О.В. Методи проектування металокомпозитних балонів високого тиску для систем літальних апаратів і конверсійного призначення. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 – проектування літальних апаратів. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2002 р.

Дисертацію присвячено розробці та впровадженню методів оптимального проектування металокомпозитних балонів високого тиску при різних умовах їх експлуатації в системах літальних апаратів і конверсійного призначення.

Результати дисертації впроваджено в УкрНДІТМі, на заводі гірничорятувального обладнання “Горизонт” та інших підприємствах України і Росії.

Ключові слова: металокомпозитні балони високого тиску, методи оптимального проектування, масова досконалість, лейнер, еквівалентні деформації, статичне навантаження, повзучість, втомленість при багатоцикловому навантаженні.

АННОТАЦИЯ

Ивановская О.В. Методы проектирования металокомпозитних баллонов высокого давления для систем летательных аппаратов и систем конверсионного назначения. Диссертация является рукописью, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 – проектирование летательных аппаратов. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2002 г.

Диссертация посвящена разработке и внедрению методов оптимального проектирования металокомпозитних баллонов высокого давления при различных условиях их эксплуатации в системах летательных аппаратов и конверсионного назначения.

Разработаны новая концепция проектирования баллонов, учитывающая специфические условия их эксплуатации и возможности современных технологий формообразования металлических и композитных конструкций; метод оптимального проектирования баллонов одноразового кратковременного использования и его модификация применительно к условиям длительного хранения под рабочим давлением; метод оптимального проектирования металокомпозитних баллонов с использованием гибридных композитов для условий многоциклового нагружения.

В основу методов проектирования положена аналитическая зависимость эквивалентных деформаций от окружных и осевых, получена из условия равенства энергии деформаций при двухосном и одноосном деформировании металлического лейнера. Экспериментально получены зависимости числа циклов нагружения от эквивалентных деформаций от основных материалов лейнера.

Результаты диссертации внедрены в УкрНИИТМ, на заводе горноспасательного оборудования “Горизонт” и других предприятиях Украины и России.

Ключевые слова: металлокомпозитные баллоны высокого давления, методы оптимального проектирования, массовое совершенство, лейнер, эквивалентные деформации, статическое нагружение, ползучесть, усталость при многоцикловом нагружении.

SUMMARY

Ivanovskaya O.V. The methods of design of high-pressure metal-composite balloons for aircraft systems and conversion application. Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of Candidate of Science (technical), specialty 05.07.02 aircraft design. National aerospace university “KHAI”. Ministry of education and science of Ukraine, Kharkiv, 2002.

Dissertation is devoted to working out and application of optimal design methods of high-pressure metal-composite balloons at different maintenance conditions in aircraft systems and conversion application. Dissertation results are applied in UcrSRITM, in the plant of mountain-rescue equipment “GORIZONT” and other enterprises of Ukraine and Russia.

Key words: metal-composite balloon, optimal design methods, mass perfection, liner, equivalent strain, static load, creeping, fatigue at cyclic load.

Ум. друк. арк. 1. Тир. 100 прим. Зам. № 167

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”,

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

Ротапринт, друкарня ХАІ, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17