Національний аерокосмічний університет ім. М.Е.Жуковського“

Харківський авіаційний інститут”

КОВАЛЬ КИРИЛО ВІКТОРОВИЧ

УДК 629.735 : 620.22

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН БАГАТОШАРОВИХ АДГЕЗІЙНИХ З’ЄДНАНЬ КОМПОЗИТНИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ТЕРМОМЕХАНІЧНОМУ НАВАНТАЖЕННІ

Спеціальність 01.02.04 “

Механіка деформівного твердого тіла”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Карпов Яків Семенович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, м. Харків, завідувач кафедрою авіаційного матеріалознавства.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Проценко Володимир Сидорович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний

інститут”, м. Харків, кафедра вищої математики;

кандидат технічних наук

Мирошников Віталій Юрійович,

Харківський державний університет будівництва та архітектури, м. Харків,

в.о. доцента кафедри будівельної механіки.

Провідна установа: Інститут технічної механіки НАН України і НКА України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 10.10.2003 р. у 14 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

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

Автореферат розісланий 09.09.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Корнілов Г.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Багатошарові адгезійні з'єднання одержали широке поширення в конструкціях аерокосмічної техніки із шаруватих композиційних матеріалів (КМ). Розшарування є одним із найпоширеніших видів руйнації композитных деталей, тому визначення напружено-деформованого стану (НДС) адгезійних з'єднань стало найважливішою проблемою конструкцій із КМ. Існуючі на даний момент численні методики визначення НДС засновані на рішенні систем диференційних рівнянь, що в аналітичному виді можливо лише для деяких окремих випадків, а застосування чисельних методів (методів кінцевих елементів, кінцевих різниць і т.п.) обмежено через трудності їх використання при проектуванні і їх відносній громіздкості.

Таким чином є актуальною необхідність розробки інженерної аналітичної методики визначення НДС багатошарових адгезійних з'єднань із будь-якою кількістю деталей що з'єднуються, яка володіє достатньою точністю при максимально можливому урахуванні чинників, що впливають на НДС з'єднання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною загальноуниверситетської програми “Авіація і космонавтика”, а також наукових досліджень по темі “Визначення фізико-механічних властивостей матеріалів фотоперетворювачів сонячної батареї космічного апарата (КА) “МС-1”” Спеціального конструкторсько-технологічного бюро з кріогенної техніки Фізико-технічного інституту низьких температур НАН України (СКТБ ФТІНТ).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертації складається в оперативному інженерному аналізі і виборі конструктивно-жорсткісних параметрів багатошарових адгезионных з'єднань деталей із композиційних матеріалів на основі розроблених уніфікованих методик визначення їхнього напружено-деформованого стана.

Для досягнення поставленої цілі необхідно вирішити такі задачі:

на підставі одномірної й умовно двовимірній розрахункових схем синтезувати дві методики визначення НДС багатошарових адгезійних з'єднань з урахуванням різниці коефіцієнтів Пуассона і лінійного температурного розширення матеріалів;

провести параметричне дослідження впливу конструктивно-технологічних чинників на НДС типових і перспективних адгезійних з'єднань і визначити область застосування розроблених методик;

провести аналіз точності визначення напруг шляхом їхнього порівняння з результатами, одержуваними іншими методами;

реалізувати методики і програми при визначенні НДС багатошарових тестових конструкцій аерокосмічної техніки.

Об'єкт дослідження - багатошарові адгезионные з'єднання.

Предмет дослідження - НДС багатошарових адгезионных з'єднань.

Методи дослідження - розроблені аналітичні методики визначення НДС багатошарових адгезионных з'єднань.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в розробці універсальних математичних моделей і методик визначення НДС адгезійних з'єднань із довільною кількістю деталей що склеюються (прошарків КМ) при комбінованому термомеханічному навантаженні.

Практичне значення одержаних результатів дисертації полягає в:

одержаних аналітичних залежностях, що описують НДС багатошарового адгезійного з'єднання, яке знаходиться під дією складного термомеханічного навантаження;

розробці методик і алгоритмів визначення максимальних напруг зсуву у клейових прошарках, що дозволяють оперативно оцінити несучу спроможність з'єднань;

рекомендаціях по області застосування одержаних результатів;

програмному комплексі проектування багатошарових адгезійних з'єднань деталей літальних апаратів (ЛА).

Одержани результати можуть бути використані в проектних і дослідницьких організаціях, робота яких пов'язана з проектуванням складної техніки з КМ і в навчальному процесі ВУЗів. Розроблений комплекс програм використовується в СКТБ ФТІНТ і ДКБ “Південне” у проектах, пов'язаних із визначенням довговічності й міцністі на втомлення сонячних батарей перспективних КА з тривалим терміном активного існування.

Достовірність результатів підтверджується тим, що вони одержани на базі основних співвідношень і законів теорії пружності і перевірені в ході опрацювання результатів експериментів, проведених в СКТБ ФТІНТ.

Особистий внесок здобувача. Дослідження з теми дисертації виконані здобувачем особисто на основі подальшого розвитку наукової проблематики кафедри авіаційного матеріалознавства ХАІ.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були повідомлені й обговорені на конференції аспірантів і молодих учених ХАІ, Харків, 16 - 21 листопада, 2000 р; НТС відділу № 77 СКТБ ФТІНТ 1999 - 2002 рр; НТС кафедри № 407 ХАІ 1999 - 2002 рр.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено в 6 статтях (4 без співавторства).

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і додатка, викладена на 141 стор. машинописного тексту, у тому числі власне текст дисертації складає 135 стор., містить 50 ілюстрацій,15 таблиць і список використаних джерел із 126 найменувань.

ОСНОВНий зміст РОБОТИ

У вступі викладений сучасний стан проблеми, актуальність дослідження, сформульовані ціль і задачі дисертації, наукова новизна, практична значимість роботи, особистий внесок здобувача, наведені свідчення про апробацію роботи, публікаціях, структурі й обсязі дисертації.

У першому розділі проведені огляд і аналіз досліджень по визначенню НДС багатошарових адгезійних з'єднань, проаналізований сучасний стан проблеми їхнього застосування в конструкціях авіаційного і космічного призначення, методики визначення їх НДС і основні проблеми і тенденції розвитку математичного забезпечення їхнього проектування. Відзначено внесок різноманітних наукових шкіл і окремих вчених у вирішенні проблеми проектування багатошарових адгезійних з'єднань. Сформульовано ціль і задачі дисертації.

Другий розділ присвячений розробці уніфікованої аналітичної методики визначення НДС багатошарових адгезійних з'єднань.

Геометричні параметри клейового з'єднання і його зовнішнє навантаження (різниця температур складання й експлуатації і погонні зусилля по торцях з'єднання) подані на рис. 1.

Рис. 1. Розрахункова схема клейового з'єднання, а - загальний вид з'єднання; б - силові чинники і розміри відсіченого елемента.

Істотна різниця коефіцієнтів лінійного температурного розширення деталей і коефіцієнтів Пуассона прошарків (груп прошарків) із різноманітними кутами армування (структурою) призводить до виникнення термомеханічних напруг в адгезійних з'єднаннях, що необхідно враховувати при проектуванні структури КМ.

Основні припущення для найбільш загальної двовимірній моделі:

клейовий прошарок працює тільки на зсув;

геометричні та жорсткістні параметри деталей і клейових прошарків постійні по поверхні;

нормальні напруги розподілені по товщині деталей рівномірно;

матеріали деталей ортотропні в осях x та y.

Повне коректне рішення задачі в двовимірній постановці неможливо одержати в аналітичному виді, тому що для визначення зусиль утворюється система однорідних диференційних рівнянь у часткових похідних. Необхідно вводити припущення з спрощенням.

У даному розділі зроблений аналіз конструктивних схем клейових з'єднань що найбільш часто зустрічаються в аерокосмічній техніці та на базі одномірної розрахункової схеми (без урахування НДС по осі у, рис. 1,а) виведені основні співвідношення, що визначають їх НДС.

Рівняння рівноваги елементів деталей мають вид (рис. 1,в):

(1)

де

Рівняння сумісності деформацій і фізичного закону:

, (2)

де - коефіцієнт лінійного температурного розширення.

Деформації визначаються співвідношеннями Коші.

(3)

Рівняння рівноваги відсіченої частини:

. (4)

Після диференціювання виразів (2) по x з урахуванням залежностей (1) і (3) одержуємо основну систему диференційних рівнянь, що складається з (n-1) рівняння.

, (5)

де і - податливості клейових прошарків і деталей що з’єднуються,

.

При рівномірному розподілі нормальних і дотичних напруг по товщині деталей застосовуються дві розрахункові моделі сполучного прошарку. У перший - деформація зсуву сполучного прошарку зосереджена в клейовому прошарку, а в другий, запропонованої Фолькерсеном, у приведеному сполучному прошарку, що включає клейовий прошарок і половини товщин деталей, що примикають до нього. Податливість сполучного прошарку для цих двох моделей визначається відповідно по таких залежностях:

; ,

де , товщина і модуль зсуву клея,

модулі поперечного зсуву матеріалів деталей.

Методом послідовного виключення невідомих із цієї системи одержуємо диференціальне рівняння щодо зусиль у першій деталі.

, (6)

Вирішивши рівняння (6), знаходимо нормальні зусилля в деталях що з'єднуються:

(7)

де

-відповідний корінь характеристичного рівняння;

(8)

Дотичні напруги в клейових прошарках визначаться з рівнянь рівноваги елементів деталей (1).

(9)

Константи інтегрування знаходяться з граничних умов:

при а при , (10)

де це координати початку і кінця з'єднання.

Система (10) розпадається на дві і з (7) визначаємо константи:

(11)

Для оцінки несучої спроможності необхідні максимальні значення напруг, що у клейовому з'єднанні спостерігаються на його краях.

. (12)

Зроблено оцінку характеру коренів характеристичного рівняння (6) (дійсні або уявні). Доведено, що при всіх можливих комбінаціях вхідних даних, корені характеристичного рівняння дійсні і різні. При цьому діапазони зміни параметрів з'єднання рівнялися:

=0.1…10 мм, =2.5104…2.5105 МПа, =1…0.01 мм,

=103…2.5104 МПа,=410-11…10-10 мм/МПа,=410-11…10-9 мм/Н.

Розглядалася також квазідвовимірна розрахункова схема, за якою поперечні напруги не впливають на повздовжні, а кожна смужка з'єднання шириною dx розглядається ізольовано. Тоді, в однім напрямку напруги рахуються по викладеної вище одновимірній постановці, а для напрямку у аналогічно одержимо систему рівнянь:

(13)

Для визначення нормальних і дотичних напруг у напрямку у за данною схемою можна застосовувати співвідношення (7) і (9) із заміною індексів.

Винятком є співвідношення для визначення константи А0у:

(14)

де - зусилля в деталях, що визначаються за одновимірною методикою (7),

для , (15)

для .

Нормальні зусилля в останній деталі як по одновимірній, так і по квазідвовимірній моделях знаходять з умови рівноваги відсіченої частини (4).

Таким чином, одержани дві уніфіковані аналітичні методики визначення НДС багатошарових адгезійних з'єднань.

Для веріфікації одержаних методик у розділі отримане рішення задачі визначення НДС однозрізного з'єднання в двовимірній постановці.

Уклавши систему рівнянь рівноваги елементів деталей (1) і з урахуванням рівнянь сумісності деформацій і фізичного закону (2), а так само рівняння рівноваги відсіченої частини (4), для двошарового з'єднання одержана основна система диференційних рівнянь:

(16)

З урахуванням рівнянь рівноваги елементів деталей і рівнянь рівноваги відсіченої частини одержуємо систему двох рівнянь із двома невідомими.

Ця система приводиться до звичайного диференціального рівняння подібному рівнянню (6) з одним невідомим , рішення якого було отримано методом розділу перемінних.

(17)

Константи знаходяться відповідно з граничних умов і умови мінімуму потенційної енергії деформації:

(18)

Константи і залежать від податливостей елементів з'єднання. Зусилля знаходимо по схемі, що приводилася для одновимірної моделі, із рівнянь рівноваги елементів деталей.

Третій розділ присвячений веріфікації одержаних результатів шляхом їхнього порівняння з результатами більш точних методик (метод кінцевих елементів (МКЕ), методика В.Ф. Кутьінова і двовимірній розрахунковій схемі). Проведено класифікацію адгезійних з'єднань у залежності від співвідношення товщин деталей і клейових прошарків. На підставі цього обрані три тестових приклади: тонкоплівочна структура сонячної батареї космічного апарата “Мікроспутник” (рис.2,а) (при істотній різниці фізико-механічних властивостей сусідніх прошарків, товщини деталей що з’єднуються порівнянні, а іноді і менші товщин клейових прошарків); багатошарова конструкція крила винищувача С-37 (рис.2,б) (є клейовим з'єднанням із п'ятьма групами прошарків однотипної укладки, яке знаходиться під дією комплексного термомеханічного навантаження) і конструкція стулок вантажного відсіку космічного корабля “Space Shuttle” (рис.2,в) (металева панель із накладкою з КМ із достатньо великим значенням товщин деталей що з’єднуються ).

а б в

Рис. 2. Тестові моделі багатошарових конструкцій

Для всіх трьох прикладів проводилося порівняння максимальних значень нормальних і дотичних напруг, одержаних по одновимірній, квазідвовимірній методиках і МКЕ і на базі цього проведений аналіз НДС конструкції, можливого характеру її руйнації і сформульовані рекомендації по зниженню рівня напруг. Так, при аналізі НДС сонячної батареї, зроблений висновок про можливу руйнацію конструкції від розшарування в області поліімідного прошарку при температурному навантаженні.

Встановлено, що для аналізу НДС багатошарового з'єднання при термомеханічному навантаженні достатньо обмежитися значенням дотичних напруг на кінці більш жорсткої деталі (рис. 3 і 5).

Для першого і третього тестових прикладів значення похибки обчислень для одновимірної моделі в деяких випадках досягає 50% (порівняння провадиться з результатами розрахунку за МКЕ). Це пов'язано з необхідністю урахування экстремально великих або малих значень податливості деталей що з’єднуються (неоптимальне співвідношення товщин деталей що з’єднуються і клейових прошарків може істотно вплинути на похибку обчислень). В другому прикладі похибка декілька менше. Проте, для всіх трьох тестових прикладів, значення дотичних напруг, обчислених за менш точними методиками, більше чим за більш точними, тобто обчислення йдуть у запас, що можна віднести до позитивної сторони даних методик.

Для всіх розглянутих прикладів найменшою точністю володіє одновимірна розрахункова схема. Найкраще наближення до результатів МКЕ дає квазідвовимірна модель (рис. 3).

Для багатошарового крила винищувача було проведено порівняння результатів визначення НДС за чотирьма методиками. До вже аналізованих додається ефективна методика В.Ф. Кутьінова. Вона дає задовільні результати, хоча рішення в аналітичному виді неможливо.

Для третього тестового прикладу (металева панель із накладкою з КМ), результати, одержувані по МКЕ, незначно відрізняються від результатів двовимірній моделі (похибка в середньому складає 10-15%). Це говорить про те, що дану модель можна застосовувати для тестування аналізованих аналітичних розрахункових схем.

У четвертому розділі виявлені основні конструктивно-технологічні чинники і зроблене параметричне дослідження їхнього впливу на НДС багатошарових адгезійних з'єднань для двох випадків навантаження (температурне і механічне навантаження) при різноманітних комбінаціях вхідних даних.

У якості базової моделі выбрано тришарове з'єднання, з одиничними значеннями товщин деталей що з’єднуються , симетричне щодо серединної поверхні. Результати розрахунків для температурного навантаження подані на рис.3, механічного - на рис. 4.

Рис. 4. Залежності максимальних дотичних напруг від товщини деталей що з’єднуються (а), довжини з'єднання (б), товщини клейових прошарків (в), кількості прошарків (г), модуля зсуву клейових прошарків (д) і співвідношення жорсткостей деталей що з’єднуються (є), одержани за одновимірною (1), квазідвовимірною (2) методиками і МКЕ (3) при температурному навантаженні.

г

Рис. 5. Залежності максимальних дотичних напруг від довжини з'єднання (а) і товщини клейових прошарків (в), розподіл дотичних напруг по довжині прошарку в залежності від співвідношення жорсткостей деталей що з’єднуються (б) і кількості прошарків (г), одержани для різноманітних значень товщини деталей (а) і модуля зсуву клею (в) при механічному навантаженні.

При температурному і механічному навантаженні, як і очікувалось, збільшення податливості клейових прошарків призводить до зниження рівня максимальних дотичних напруг (у 2…3 рази при рівнозначному збільшенні відповідного параметру).

Збільшення товщини деталей при температурному навантаженні призводить до значного збільшення дотичних напруг у клейових прошарках, проте, при >3…5 мм збільшення дещо сповільнюється. Цей факт можна пояснити збільшенням опору з'єднання деформуванню при збільшенні товщини деталей що входять до нього, а значить і їхньої жорсткості. При механічному навантаженні спостерігається зворотна картина (зменшення рівня дотичних напруг) через зменшення нерівномірності розподілу напруг при збільшенні жорсткості деталей що входять у з'єднання.

При температурному навантаженні, збільшення співвідношення жорсткостей деталей що з’єднуються призводить до зменшення рівня максимальних дотичних напруг у клеї по краях з'єднання (у 1.5…2 рази до відношення рівного 2, потім значення напруг не змінюється) (рис.4,е).

При механічному навантаженні картина дещо складніша: збільшення співвідношення жорсткостей призводить до інтенсивного збільшення рівня дотичних напруг із боку більш жорсткої деталі (у 2…3 рази при рівнозначному збільшенні відношення) і зменшенню з протилежного краю (рис.5,б).

Довжина з'єднання і кількість прошарків у ньому так само впливають на НДС. Збільшення відповідних параметрів призводить до збільшення рівня дотичних напруг (у 1.5…2 і 2…4 рази відповідно) при температурному навантаженні (рис. 4, б, г) і до зменшення при механічному (рис. 5, а, г). Проте, рівень напруг змінюється асимптотично, прямуючи до визначеного значення, що дозволяє встановити граничні ефективні значення даних параметрів, зміна котрих вище граничного розміру не призводить до збільшення несучої спроможності.

При зміні практично всіх параметрів, що розглядалися, спостерігалася зміна точності обчислень, проте, в основному у бік збільшення максимуму напруг, тобто в запас, що дозволяє застосовувати аналізовані аналітичні методики для проектування багатошарових клейових з'єднань. У цілому, спостерігалося деяке збільшення похибки обчислень при надмірному зменшенні або збільшенні параметрів.

Таким чином, зміна виду навантаження призводить до істотної зміни у впливі тих самих параметрів на НДС з'єднання.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У відповідність із поставленою ціллю, в дисертації одержани такі нові наукові і практичні результати:

1.

2.

Основні результати параметричного дослідження приведені в табл.

Таблиця - Вплив параметрів з'єднання на НДС

Параметр | Вплив збільшення значення параметра на максимальні дотичні напруги в клейовому прошарку

Температурне навантаження | Механічне навантаження

с/Gс | зменшення напруг (рис.4,у,д) | зменшення напруг

(рис.5,в)

| збільшення напруг (рис.4,а) | зменшення напруг

(рис.5,а)

(E)i/(E)i+1 | зменшення напруг (рис.4,е) | збільшення з краю більш жорсткої деталі і зменшення з протилежного краю (рис.5,б)

L | асимптотичне збільшення

(рис.4,б) | асимптотичне зменшення

(рис.5,а)

n | асимптотичне збільшення

рис.4,г) | асимптотичне зменшення

(рис.5,г)

Максимум дотичних напруг спостерігається з краю більш жорсткої деталі. Обчислення за менш точними моделями приводили до завищення максимуму напруг (тобто в запас). Це дозволяє застосовувати аналітичні методики що розглядаються для проектування багатошарових клейових з'єднань. У цілому спостерігалося деяке збільшення похибки обчислень при надмірному зменшенні або збільшенні параметрів;

3.

4.

5.

Одержани результати можуть бути використані як у проектних і дослідницьких організаціях, робота яких пов'язана з проектуванням складної техніки, так і в навчальному процесі ВУЗів.

Основні результати дисертації викладені в таких

публікаціях:

1. Карпов Я.С., Коваль К.В. Методика определения напряженно-деформированного состояния многослойных адгезионных соединений.//Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып.16(3). Харьков. ХАИ: 1999.- с.85-91.

2. Коваль К.В., Куреннов С.С. Исследование корней характеристического уравнения в задаче определения напряженно-деформированного состояния многослойных адгезионных соединений. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып.20(3), Харьков, ХАИ, 2000, с.75-79.

3. Коваль К.В. Методика определения напряженно-деформированного состояния панелей солнечных батарей при термоциклировании. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып.22(5), Харьков, ХАИ, 2000, с. 37-41

4. Коваль К.В. Исследование напряженно-деформированного состояния панелей солнечных батарей при термоциклировании. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып.25(2), Харьков, ХАИ, 2001, с.64 –69

5. Коваль К.В. Учет ширины при определении напряженно-деформированного состояния многослойных адгезионных соединений. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып.27(4), Харьков, ХАИ, 2001, с.106 –112

6. Коваль К.В. Влияние основных параметров многослойного адгезионного соединения на его напряженно-деформированное состояние. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Вып.31(4), Харьков, ХАИ, 2002, с.139 –145

[1] - автору належить виведення й обгрунтування аналітичних співвідношень для визначення НДС багатошарових з'єднань і розробка відповідного програмного забезпечення;

[2] - автору належить дослідження виду коренів характеристичного рівняння для, двух-, трьо- і чотирьохшарових з'єднань.

АНОТАЦІЯ

Коваль К.В. Напружено-деформований стан багатошарових адгезійних з’єднань композитних деталей при термомеханічному навантаженні. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 01.02.04 механіка деформівного твердого тіла. Національний аерокосмічний університет ім. Н.Е. Жуковского “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2003 г.

Дисертація присвячена оперативному інженерному аналізу і вибору конструктивно-жорсткісних параметрів багатошарових адгезионных з'єднань деталей із композиційних матеріалів на основі розроблених уніфікованих методик визначення їхнього напружено-деформованого стана.

На підставі розрахункових схем різноманітного рівня точності синтезовано методики визначення НДС багатошарових адгезійних з'єднань із будь-якою кількістю прошарків у з'єднанні, виявлено основні чинники, що впливають на НДС з'єднання, і проведено параметричне дослідження впливу різноманітних чинників на НДС для двох випадків навантаження (температурне і механічне ). На підставі визначення й аналізу НДС трьох характерних тестових аерокосмічних конструкцій, зроблено порівняння одержуваних результатів із даними більш точних моделей, зроблений аналіз точності визначення напруг і дані рекомендації по області застосування розроблених методик.

Результати дисертації впроваджені в Спеціальному Конструкторсько-технологічному Бюро з кріогенної техніки ФТІНТ та в ДКБ “Південне”.

Ключові слова: багатошарові адгезійні з'єднання, клейові прошарки, деталі що з'єднуються, напружено-деформований стан, розрахункова схема, термомеханичне навантаження.

АННОТАЦИЯ

Коваль К.В. Напряженно-деформированное состояние многослойных адгезионных соединений композитных деталей при термомеханическом нагружении. Диссертация является рукописью, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 механика деформируемого твердого тела. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2003 г.

Диссертация посвящена оперативному инженерному анализу и выбору конструктивно-жесткостных параметров многослойных адгезионных соединений деталей из композиционных материалов на основе разработанных унифицированных методик определения их напряженно-деформированного состояния.

На основании одномерной и квазидвумерной расчетных схем синтезированы методики определения НДС многослойных адгезионных соединений с учетом коэффициентов Пуассона и линейного температурного расширения материалов с любым количеством слоев в соединении. Предложен комплекс программ для проведения расчетов по данным расчетным схемам для соединений любого порядка и показана возможность унификации программного обеспечения, предназначенного для проектирования или анализа НДС адгезионных соединений;

Выявлены основные факторы, влияющие на НДС многослойных адгезионных соединений, и произведено параметрическое исследование влияния различных факторов на НДС при различных комбинациях исходных данных для двух случаев нагружения (температурная и механическая нагрузка).

Для оценки адекватности допущений в приближенной (инженерной) методике учета ширины соединения, разработана теория определения НДС двухслойной конструкции конечных размеров в двумерной постановке (с учетом стеснения деформаций в поперечном направлении).

На базе сравнения получаемых результатов с данными, получаемыми по более точным моделям, произведен анализ точности определения напряжений и даны рекомендации по области применения разработанных методик.

Произведен анализ встречаемых в конструкции ЛА многослойных структур и выделены три наиболее часто встречаемых характерных класса, в зависимости от соотношения толщин соединяемых деталей и клеевых слоев, а также произведено определение и анализ НДС для трех тестовых аэрокосмических конструкций. На основе этого дано заключение о применимости рассматриваемых аналитических моделей для определения и анализа НДС широкого класса многослойных структур.

Результаты диссертации внедрены в СКТБ ФТИНТ и ГКБ “Южное” .

Ключевые слова: многослойные адгезионные соединения, клеевые прослойки, соединяемые детали, напряженно-деформированное состояние, расчетная схема, термомеханическое нагружение.

SUMMARY

Koval K.V. Stressed-strained state of multi-layered adhesive joints of composite articles at the thermomechanical loading. Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of Candidate of Science (technical), specialty 01.02.04 mechanics of deformed solid body. National aerospace university “KHAI”. Ministry of education and science of Ukraine, Kharkiv, 2003.

The thesis is devoted to efficient engineer analysis and selection of structural rigidity parameters of multilayered joints of articles made of composites. This analysis is based on worked out unified methods of definition of joint stressed-strained state. Dissertation results are applied in the Special Design and technological Office of B.Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering and in the Yuzhnoye State Design Office.

The methods of stressed-strained state of multi-layered adhesive joints with any amount of layers have been synthesized with application of analysis schemes of various precision levels. Main factors, which influence on joint stressed-strained state, have been shown. The parametric research of various factors influence on joint stressed-strained state for two loading cases (thermal and mechanical loading). The received results based on definitions and analysis of joint stressed-strained state for three typical aerospace structures were compared with dates, which were obtained with more precise models. Analysis of stress definition precision has been carried out. The recommendations for worked out methods application fields have analyzed.

Key words: manylayers adhesive joints, adhesive layer, joining parts, stress-strained state, design outline, thermomechanical load.

Умовн. печат. л. 1. Тираж 60 екз. Заказ № 297

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

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