Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

„Харківський авіаційний інститут”

КРИВЕНДА СЕРГІЙ ПЕТРОВИЧ

УДК 629.735.23 :620.22

РОЗРАХУНОК НА МІЦНІСТЬ КОМБІНОВАНИХ БАГАТОЕЛЕМЕНТНИХ ЗЄДНАНЬ

ДЕТАЛЕЙ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ ІЗ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.07.03 – міцність літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Карпов Яків Семенович

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”,

проректор з навчальної роботи

Офіційні опоненти | доктор технічних наук, професор

Фомічов Петро Олександрович

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”,

завідувач кафедри

кандидат технічних наук

Лозовицький Ігор Броніславович

Державне конструкторське бюро „Південне”,

ведучий науковий співробітник

Провідна установа | Авіаційний науково-технічний комплекс

„Антонов” Міністерства промислової політики України, м. Київ

Захист відбудеться 13 травня 2004 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.03 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут” за адресою 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий 08.04. 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Саприкін В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Конструкція літального апарата (ЛА) має велику кількість функціональних, технологічних та експлуатаційних стиків і зєднань. Це значною мірою ставить надійність функціонування ЛА у залежність від якості розрахунку напружено-деформованого стану (НДС), проектування та реалізації стиків і зєднань. Якість оцінки НДС елементів зєднання та проектування зєднання є вирішальними. У загальному машинобудуванні проблема економії маси конструкції не суттєва, тому там належна якість оцінки НДС елементів зєднання забезпечується завдяки використанню коефіцієнта запасу міцності, тоді як ЛА з метою зниження маси конструкції проектують за руйнуючими навантаженнями. Таким чином, вимоги щодо точності розрахункових схем (РС) зєднань у загальному машинобудуванні дещо нижчі, ніж при розрахунку НДС та проектуванні зєднань ЛА. Крім того, широке впровадження в конструкції ЛА композиційних матеріалів (КМ) привело до збільшення кількості способів зєднання, кожний з яких має переваги, недоліки та області використання. Для вирішення задач розрахунку та проектування зєднань необхідно мати уніфіковану модель зєднання, за допомогою якої можна оцінювати ефективність різних варіантів зєднань та їх комбінацій. Використання КМ в конструкціях ЛА викликало також і необхідність урахування впливу температурного поля на НДС елементів зєднання. Це повязано з тим, що коефіцієнти лінійного температурного розширення (КЛТР) КМ значно відрізняються від КЛТР металів, що може спричинити значні технологічні напруження в елементах зєднання.

Відсутність обгрунтованих вирішень перелічених проблем є достатньою підставою для висновку щодо актуальності розробки методики розрахунку на міцність та методики проектування зєднань ЛА із КМ зі змінними параметрами вздовж стику при дії складного термомеханічного навантаження.

Звязок роботи з науковими програмами та темами. Робота є складовою частиною загальноуніверситетської програми „Авіація та космонавтика”, а також наукових досліджень за тематикою Г403-22/95 „Математичне, програмне і конструкторське забезпечення проектування високонавантажених зєднань та стикових вузлів агрегатів літальних апаратів із композиційних матеріалів” та Г407-21/00 „Розробка теоретичних основ проектування дискретно опертих агрегатів літаків із композиційних матеріалів”.

Мета роботи полягає у розробці методик розрахунку на міцність та проектування комбінованих зєднань деталей та агрегатів літальних апаратів із композиційних матеріалів з різнорідними кріпильними елементами, що базується на уніфікованій математичній моделі напружено-деформованого стану зєднання.

Для досягнення мети було вирішено такі задачі:

- синтезовано уніфіковану математичну модель для визначення НДС елементів основних конструктивно-технологічних рішень (КТР) зєднань;

- розроблено методику прогнозування міцності зєднання із зєднувальним шаром довільної структури;

- розроблено методику оцінки залишкової несучої здатності та живучості зєднання, що руйнується;

- обгрунтовано загальні підходи до проектування зєднань;

- проведено експериментальні та параметричні дослідження, за результатами яких сформульовано практичні рекомендації щодо розрахунку на міцність і проектування.

Обєктом дослідження є комбіноване зєднання зі змінними параметрами вздовж стику, яке знаходиться під дією складного термомеханічного навантаження.

Предметом дослідження є уніфікована математична модель НДС комбінованих зєднань.

Методи дослідження. Для створення математичної моделі НДС зєднання використано класичні залежності механіки деформівного твердого тіла та будівельної механіки. Для електричного аналога зєднання використано правила Кірхгофа. Дослідження математичної моделі виконано на основі порівняння результатів розрахунку з результатами експериментів та розрахунку за іншими моделями.

Наукова новизна роботи полягає у синтезі уніфікованої математичної моделі НДС комбінованих зєднань деталей із КМ для прогнозування їх граничного стану та залишкової міцності під час руйнування з урахуванням температури експлуатації агрегатів ЛА, а також для проектування зєднання зі змінними параметрами вздовж стику при складному термомеханічному навантаженні.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що на основі синтезованої математичної моделі:

- для інженерних розрахунків виведено канонічну систему лінійних алгебричних рівнянь для визначення зусиль в елементах зєднання, що знаходиться в умовах складного термомеханічного навантаження, та отримано залежності для визначення коефіцієнтів податливості комбінованих зєднувальних звязків;

- сформульовано рекомендації щодо області використання запропонованих та відомих формул для розрахунку коефіцієнтів податливості звязків;

- запропоновано алгоритм оцінки залишкової статичної міцності та живучості комбінованих зєднань з різнорідними звязками;

- розроблено методику проектування структури та параметрів комбінованого зєднувального шару зєднань деталей із КМ з прогнозованим характером і послідовністю руйнування його елементів;

- розроблено програмний комплекс визначення НДС звязків, що утворені різними способами на основі різних КТР.

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних розробок належать автору. Із пяти статей чотири опубліковані без співавторів.

Експериментальні дані одержано співробітниками Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „ХАІ” та Штутгартського університету (Німеччина) та оброблені автором.

Апробація. Основні результати роботи були повідомлені та обговорені на ХХІІ молодіжній науковій конференції „Гагаринские чтения”, Москва, 2 – квітня 1996 р.; Пятій міжнародній конференції „Новые технологии в машиностроении”, Рибаче, 18 – 21 вересня 1996 р.; Сьомій міжнародній конференції „Новые технологии в машиностроении”, Рибаче, 3 – 7 вересня 1998 р.; НТС кафедри № 403 1995 – 1997 рр.; НТС кафедри № 407 1998 – 2002 рр.

Основні результати теоретичних і практичних досліджень використано в навчальному посібнику з курсового та дипломного проектування для студентів спеціальності „Проектування та виробництво виробів із КМ”.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у пяти статтях (чотири без співавторів).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків, викладена на 137 сторінках машинописного тексту, у тому числі сам текст дисертації займає 112 сторінок, містить 13 рисунків на окремих сторінках, 1 таблицю на окремій сторінці та список використаної літератури із 116 найменувань на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко викладено сучасний стан проблеми та актуальність дослідження, сформульовано мету та задачі дослідження, наукову новизну, практичну значущість роботи, наведено відомості про апробацію роботи, публікації, структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі проведено огляд та аналіз існуючих КТР зєднань деталей ЛА із КМ. Відзначено, що низька ефективність традиційних способів зєднання деталей із КМ стала причиною досліджень з модернізації існуючих та створення нових зєднань. Відзначено також, що існуючі математичні моделі зєднань мають недоліки, які суттєво обмежують можливості розробників при проектуванні зєднань.

На основі огляду та аналізу було сформульовано мету та задачі дисертації.

Другий розділ присвячено розробці уніфікованої математичної моделі зєднання зі змінними параметрами при складному термомеханічному навантаженні. Вона базується на одномірній моделі зєднання та методі фізичної дискретизації.

Припущення, які необхідні для синтезу РС:–

в зєднаних деталях діють нормальні напруження та напруження зсуву, спричинені лише дією зовнішніх зусиль та температурного поля;–

силові звязки (зєднувальний шар) працюють лише на зсув;–

процеси згину (при навантаженні нормальними зусиллями) та скручування (при навантаженні зусиллями зсуву) не враховуються;–

геометрична конфігурація деталей і склад зєднувального шару можуть бути довільними в межах технологічних можливостей;–

у кожному перерезі зєднані деталі мають постійну структуру та товщину;––

одна із зєднаних деталей навантажена зусиллями, що виводять зєднання із рівноваги, а друга – зусиллями, що врівноважують зєднання; позитивні напрямки зусиль протилежно спрямовані;–

матеріали елементів зєднання відповідають пружно-лінійному фізичному закону.

Таким чином, для зєд-нання, наведеного на рис. 1, була побудована РС (рис. 2, а).

Згідно з умовами рівноваги зєднаних деталей (рис. , а) зусилля в них та силових звязках визначаються залежностями:

(1)

Оскільки умов рівноваги не вистачає для визначення всіх невідомих , було використано умови сумісності деформацій (рис. 2, б), математичний запис яких має такий вигляд:

(2)

де – зусилля, що діють у деталях на і-й ділянці; – середні коефіцієнти лінійного температурного розширення матеріалів деталей на і-й ділянці; – різниці температур деталей (температури при складанні зєднання та температури його експлуатації у складі елементів конструкції); – податливості деталей уздовж осі х (вздовж зєднання); – податливість ряду силових звязків у площині XZ.

Систему рівнянь було отримано в результаті підстановки рівнянь (1) у рівняння (2) і вирішення їх відносно зусиль у першій деталі (можна вирішити і через зусилля в другій деталі, в рядах силових звязків – це не принципово). Остаточно система рівнянь набуває такого вигляду:

(3)

де – зовнішні зусилля, що діють в і-му вузлі деталей;

(4)

Згідно з розподілом зусиль у першій деталі визначаються зусилля в другій деталі

(5)

В рядах силових звязків діючі зусилля визначаються формулами (1).

Для оцінки НДС елементів вшир зєднання крім перелічених вище були використані такі додаткові припущення: деталі в межах ряду силових звязків умовно деформуються у напрямку осі у незалежно від суміжних ділянок; деформація деталей у поперечному напрямку не впливає на їх деформацію у поздовжньому напрямку. На основі цих припущень була синтезована модель вшир зєднання (рис. 3, а).

Згідно з умовою рівноваги (рис. 3, б) одержано вирази для зусиль в елементах зєднання:

(6)

Як і у випадку розрахунку вздовж зєднання для замикання системи рівнянь було використано умови сумісності деформації (рис. , в), математичний запис яких має такий вигляд:

(7)

де ;

(8)

Тут – середні по ділянці пуассонові деформації:

(9)

Остаточно система рівнянь для розрахунку НДС у поперечному напрямку одержана підстановкою в систему (7) рівнянь (6) і вирішенням відносно невідомих одного типу (у даному випадку – ):

(10)

Рівняння для розрахунку зєднання, що працює на зсув, ідентичні системі (3) і записуються таким чином:

(11)

де – потоки зусиль зсуву у першій та другій деталях зліва від зєднання (згідно з РС).

Для спрощення проведення та зниження собівартості експериментальних досліджень зєднань зі змінними параметрами на основі припущень про відповідність зусиль силі електричного струму, а податливості елементів зєднання величині опору відповідних елементів електричного кола було синтезовано електричну модель зєднання (рис. ). На основі правил Кірхгофа одержано систему рівнянь, аналогічну системі (3), що одержана на базі законів механіки деформівного твердого тіла.

Податливості зєднаних деталей визначаються формулами:–

для випадку навантаження нормальними зусиллями

(12)–

для випадку навантаження зсувом

(13)

Для випадку оцінки НДС вшир зєднання з однаковим рівнем достовірності можна використовувати або припущення про постійність деформацій вшир ділянки, або припущення про постійність рівня зусиль вшир ділянки. Було використано друге припущення. У цьому випадку формули податливості деталей мають вигляд:

(14)

У цих формулах B, txi – ширина зєднання та відстань між і-м та (і+1)-м рядами силових зв’язків; – поточне значення модулів пружності першої та другої деталей вздовж стику; – поточне значення модулів зсуву першої та другої деталей у площині поверхні стику; – поточне значення модулів пружності першої та другої деталей поперек стику; – поточне значення товщини першої та другої деталей.

Коефіцієнти лінійного температурного розширення вздовж і вшир стику визначаються формулами:

(15)

Для визначення податливості окремого ряду комбінованих силових звязків було використано припущення, що компоненти силового звязку не впливають на вихідні властивості один одного. На основі цього припущення, а також умов рівноваги та сумісності деформацій (рис. ) було отримано формули для розрахунку питомої податливості комбінованого звязку:–

у площині XZ (для моделі зєднання, що навантажено нормальними зусиллями)

(16)

– у площині YZ (для моделі зєднання, що навантажено зусиллями зсуву)

(17)

У цих формулах – питома податливість у площинах XZ та YZ j-го компонента в i-му ряду; – площа i-го звязку та j-го компонента цього звязку в площині стику; k – кількість компонентів у ряду силових звязків.

Для електричного аналога повна податливість елементів зєднання моделюється як опір, тоді величина опору, що відповідає комбінованому звязку, визначається формулою для паралельно зєднаних активних елементів електричного кола

(18)

що, по суті, збігається з формулами (16) та (17).

Несуча здатність зєднання оцінюється згідно з НДС елементів зєднання та варіантів можливих форм їх руйнування, а саме: руйнування деталей від діючого навантаження (особливо в ослаблених перерізах), руйнування силових звязків, зминання деталей кріпильними елементами (КЕ), а також зминання КЕ металевими деталями, зріз деталей між рядами КЕ або біля вільних країв деталей. Для розрахунку несучої здатності у випадках майже всіх перелічених варіантів руйнування використовуються класичні методики.

Новою є методика оцінки несучої здатності комбінованого звязку. Міцність комбінованого звязку оцінюється за найнапруженішим компонентом (гранична деформація якого найменша)

(19)

де – міцність на зсув і податливість у площині XZ s-го компонента, значення граничної деформації якого найменше.

Міцність комбінованого звязку у площині YZ визначається формулою, аналогічною (19).

Таким чином, синтезовано математичну модель зєднання зі змінними параметрами вздовж стику, що знаходиться під дією складного термомеханічного навантаження.

Третій розділ присвячено дослідженню впливу похибок при визначенні податливості компонентів силових звязків на оцінку напруженого стану елементів зєднання. Було досліджено залежність величини відносного відхилення максимальних значень напружень у зєднувальному шарі від зміни відносного значення його питомої податливості (за базове значення було прийнято експериментальне для клейового шару), довжини стику, а також жорсткості деталей і особливостей навантаження. Характерний вигляд залежності наведено на графіку (рис. ). Таким чином, визначено умови, за яких можна помякшити вимоги щодо точності моделі зєднувального шару.

Щоб обгрунтувати вибір моделі для розрахунку податливості КЕ було досліджено вплив вибору моделі КЕ на величину напружень у найбільш навантаженому ряду КЕ. Дослідження проведено шляхом порівняння напружень розглядуваних моделей зєднань (в них для моделювання КЕ використано залежність ХАІ, що базується на гіпотезі Фолькерсена, а також залежності фірми Boeing і фірми Douglas) з напруженнями базової моделі зєднання, яка була розроблена в ЦАГІ і є складовою частиною керівних технічних матеріалів. Дослідження проведені за умов використання для КЕ високомодульного матеріалу (сталь 30ХГСА) та низькомодульного матеріалу (сплав В96), для різної жорсткості зєднаних деталей, при щільності розміщення КЕ в ряду, що відповідає одному та чотирьом КЕ в ряду. Діаметри КЕ були вибрані згідно зі значенням ряду нормальних лінійних розмірів у діапазоні від 1 до 10 мм. Як незалежну змінну вибрано відносний крок розташування рядів КЕ. Результати дослідження для КЕ із сталі 30ХГСА у випадку одного КЕ в ряду наведено на рис. 7. Тут відображено таку інформацію: а, в, д – зєднані деталі одинарної товщини; б, г, е – товщина зєднаних деталей збільшена у чотири рази; а, б – КЕ змодельовано за залежностями ХАІ; в, г – КЕ змодельовано за залежностями фірми Boeing; д, е – КЕ змодельовано за залежностями фірми Douglas.

Результати досліджень дають змогу стверджувати, що розглянуті моделі КЕ мають свої області використання, в межах яких відхилення напружень від контрольних значень найменші. Так, було встановлено, що модель ХАІ можна використовувати при великій щільності розміщення КЕ (тобто при відносній площі КЕ > 3,5%), модель фірми Boeing ліпше використовувати, коли відносна довжина тіла КЕ не перевищує двох, а для моделі фірми Douglas обмежень не було встановлено, бо при її використанні відносне відхилення напружень не перевищувало 15%.

Дослідження впливу ступеня дискретизації моделі на збіжність розрахунку було проведено у три етапи. На першому етапі досліджено збіжність результатів розрахунку НДС зєднання за дискретною моделлю з аналітичним рішенням (параметри елементів зєднання постійні). Встановлено, що відхилення напружень не перевищує 10% при рівні дискретизації 50 ділянок на сто міліметрів і більше. На другому етапі досліджено вплив рівня дискретизації на НДС компонентів комбінованого звязку у зєднанні деталей з постійними параметрами вздовж стику. Встановлено, що при використанні для КЕ моделі фірми Douglas, а для клею – моделі Фолькерсена, збіжність результатів розрахунку хороша – відхилення напружень в КЕ не перевищувало 4%, а в клеї – -3,5%. На третьому етапі для зєднання підсилючої накладки змінної геометрії з деталлю постійної товщини було порівняно їх НДС, одержаний за запропонованою методикою (із використанням моделі для клейового шару, що базується на гіпотезі Фолькерсена) та за методикою Іонова. Виявлено добру збіжність результатів розрахунку і підтверджено можливість використання для клейових звязків моделі, що базується на гіпотезі Фолькерсена.

Рис. 7 – Відносне відхилення напружень у найбільш навантажених рядах КЕ залежно від використаної моделі, матеріалу КЕ, діаметру КЕ та відносної відстані між рядами КЕ

У четвертому розділі розглянуто особливості використання запропонованої математичної моделі зєднання, а саме: при оцінці несучої здатності комбінованого зєднувального шару, при оцінці живучості як зєднання у цілому, так і зєднувального шару, при проектуванні зєднання з урахуванням впливу різниці температур.

Оцінка несучої здатності комбінованого зєднувального шару проводиться за найбільш навантаженим компонентом (значення граничного зсуву якого найменше). Для порівняння несучої здатності різних способів зєднання було проведено „розмазування” дискретних звязків по відведеній для них поверхні. Таким чином, оцінка несучої здатності клейового шару, дискретних елементів і комбінованного шару проводиться за рівних умов. Результати порівняння міцності комбінованого зєднувального шару системи клей + КЕ та КЕ, що входять до нього, з міцністю чистого клею ВК-36 наведено на графіку (рис. 8). Тут максимальна відносна площа КЕ , що відповідає щільності розміщення КЕ 5Х5 діаметрів. Було також враховано вимогу щодо відсутності зрізу матеріалу деталей між рядами КЕ. На основі результатів порівняння було зроблено висновки про те, що серед варіантів механічного зєднання найбільш перспективне зєднання КЕ малого діаметра із сталі, серед усіх розглянутих способів зєднання найбільшу міцність забезпечує комбінований клеємеханічний за умови використання КЕ діаметром 1,5...3 мм зі сталі (як матеріалу з найбільшою міцністю серед інших розглянутих).

Під час обробки результатів випробувань механічних зєднань на статичну несучу здатність, які були проведені у Штутгартському університеті (Німеччина) за проектом ХАІ (рис. 9 і 10), було досліджено вплив складу зєднувального шару цих зєднань на їх живучість. Встановлено, що під час руйнування зєднань із комбінованим зєднувальним шаром навантаження в рядах КЕ розподіляється більш рівномірно, що зумовлює підвищення несучої здатності зєднання. Ступінь живучості можна характеризувати через відношення навантаження, при якому зєднання руйнується повністю, до навантаження, при якому було зруйновано перший ряд КЕ. Для зразків № 1 і № 4 це відношення складає 1,16; для зразка № – 1; для зразка № 3 – 2,17. При цьому точність прогнозування несучої здатності досить висока, відхилення прогнозованого рівня несучої здатності від фактичного не перевищує 15%.

Для випадку рівномірного розподілу навантаження вздовж стику і постійного складу комбінованого зєднувального шару було досліджено умови забезпечення живучості цього шару:

(20)

де – руйнівна сила до та після руйнування r-го компонента зєднувального шару.

У формулі (20) індексом r позначено параметри найбільш навантаженого компонента, що має зруйнуватися, а індексом r+1 – параметри найбільш навантаженого компонента після руйнування r-го компонента.

На основі умови (20) для комбінованого зєднувального шару системи клей + КЕ було отримано залежності значень відносної площі КЕ, при яких прогнозується підвищена живучість цього шару:

– якщо першим руйнується КЕ, то

(21)

– якщо першим руйнується клей, то

(22)

Дослідження за формулами (21) та (22) з урахуванням обмежень на щільність встановлення КЕ показали, що існують вкрай обмежені області, в межах яких проявляється підвищена живучість зєднувального шару.

Існуючі методики проектування можуть використовуватися лише для окремих способів зєднання (для яких і були розроблені), що обумовлено використанням відповідних моделей зєднання. Крім того, ці методики не враховують вплив температурного поля на НДС елементів зєднання на етапі його проектування, а цей вплив у випадку зєднання деталей із КМ стає вагомим і його слід враховувати. Оскільки процес проектування зєднання повязаний з вибором структури зєднувального шару та визначенням параметрів елементів зєднання, доцільно розділити процес проектування на три етапи: перший етап повязаний із визначенням складу зєднувального шару з метою забезпечення максимальної несучої здатності, живучості, тощо; на другому етапі визначають параметри деталей та розміри зєднання у першому наближенні при дії термомеханічного навантаження; на третьому етапі уточнюють параметри деталей та склад зєднувального шару вздовж стику з урахуванням технологічних обмежень та інших особливих вимог. На першому етапі можна використати методики аналізу параметрів зєднувального шару, що були подані вище, третій етап важко формалізувати, тому використовують методику послідовних наближень. Для виконання другого етапу видозмінено вихідну математичну модель (3) за рахунок виділення в ній керуючих функцій (тобто використано принцип оперативного керування):

(23)

де (24)

Тут – максимальні напруження в першій та другій деталях відповідно; – коефіцієнти навантаження першої та другої деталей відповідно (змінюються в межах від 0 до 1), вони являють собою значення керуючих функцій для і-ї ділянки РС.

Розроблено також алгоритм проектування зєднання. На основі проведених досліджень було доведено, що (за умови урахування лише маси зєднаних деталей) зєднання має найменшу масу при мінімальній довжині стику. Було визначено значення коефіцієнтів навантаження для оптимального за масою зєднання:

(26)

Для того щоб зєднання мало мінімальну масу, значення або має досягати одиниці, тобто на кожній ділянці РС одна з деталей гранично навантажена. Дослідження показали, що урахування впливу температурного поля на другому етапі проектування зєднання дозволить зменшити його масу на 15...25% порівняно зі зєднанням, для якого вплив температури було враховано на третьому етапі проектування (за рахунок збільшення довжини стику).

Були також сформульовані рекомендації щодо проектування зєднання з урахуванням діапазону зміни температури.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Згідно з метою та задачами досліджень у дисертації одержані такі наукові та практичні результати:

1. Для розрахунку на міцність комбінованих зєднань деталей із КМ зі змінними параметрами при довільному термомеханічному навантаженні синтезовано уніфіковану математичну модель НДС зєднання.

2. На основі фундаментальних рівнянь механіки деформівного твердого тіла побудовано математичну модель деформування зєднувальних звязків довільної структури та одержано залежності для визначення коефіцієнтів податливості, що входять у канонічну систему рівнянь НДС зєднання. Розроблено методику та відповідні алгоритми оцінки міцності та прогнозування остаточної несучої здатності комбінованих звязків.

3. Виявлено аналогію синтезованої розрахункової схеми з електричним колом і показано, що на основі правил Кірхгофа можно одержати систему рівнянь, яка за структурою аналогічна тій, яка була одержана на основі механіки деформівного твердого тіла. Використання електричної аналогії допоможе спростити експерименти над зєднанням зі змінними параметрами при складному термомеханічному навантаженні та зменшити їх собівартість.

4. Проведений аналіз чисельних експериментів дослідження впливу коефіцієнтів податливості, розрахованих за запропонованими залежностями, а також за відомими залежностями фірм Boeing, Douglas та ЦАГІ, на розподіл зусиль уздовж зєднання та на величину максимальних напружень дозволяє стверджувати таке:

- починаючи з величини коефіцієнта податливості клейового шару за моделлю Фолькерсена, значення максимальних напруг практично не залежить від вибору формул, що є підставою для рекомендацій щодо доцільності застосування залежностей при розрахунках комбінованих зєднань;

- на основі порівняння максимальних напружень в КЕ, що були розраховані із застосуванням запропонованих формул, а також залежностей фірм Douglas і Boeing, з напруженнями, отриманими за формулами ЦАГІ, які є керівними матеріалами, показано, що, по-перше, для кріпильних мікроелементів (діаметром 1...2 мм) найменшу похибку в оцінці максимальних напружень дають формули фірми Douglas (±10%); по-друге, у разі використання формул ХАІ, які базуються на „розмазуванні” жорсткості КЕ по характерному обєму матеріалу деталей, зі збільшенням товщини зєднаних деталей похибка різко знижується і для типових значень товщин силових елементів конструкції літальних апаратів знаходиться в межах ±15%; по-третє, починаючи з поверхневої щільності розміщення КЕ більше ніж 3,14%, запропоновані залежності можна надійно використовувати для розрахунку простих та комбінованих звязків при утворенні отворів без перерізання волокон;

- дослідження впливу ступеня дискретизації при розрахунку зєднання на величину НДС його компонентів показали, що для досягнення десятипроцентного відхилення максимальних напружень у зєднувальному шарі за дискретною моделлю порівняно з аналітичним рішенням необхідно, щоб ступінь дискретизації зєднання був не менше 50 ділянок на 100 мм.

5. У роботі одержано аналітичні залежності для прогнозування залишкової міцності зєднувального шару, які можна використовувати при проектуванні – виборі структури та основних параметрів. Побудовано залежності поверхневої щільності комбінації клей + КЕ для КЕ із різних материалів, за допомогою яких було доведено, що для КЕ діаметром 1 мм (для КЕ із В95 діаметром 2 мм) залишкову міцність не нижче вихідної можна забезпечити, якщо поверхнева щільність установки КЕ буде більше 3,14%, що збігається з умовами забезпечення максимальної ефективності комбінованого звязку, оскільки дослідження показали, що система клей КЕ має найбільшу несучу здатність при діаметрах КЕ 1...3 мм, тобто клеємеханічне зєднання ефективне при використанні кріпильних мікроелементів.

6. У результаті аналізу експериментальних досліджень статичної міцності зєднань вуглепластика зі сталлю за допомогою мікроелементів (діаметром 1 мм), що були запресовані в препрег з різною поверхневою щільністю, з двома традиційними болтами (діаметром 6 мм) і без них побудована і відпрацьована методика оцінки залишкової несучої здатності під час руйнування окремих (перших) елементів. Теоретична остаточна статична міцність відрізняється від експериментальних значень не більше ніж на 15,3%.

7. Розроблені методика і алгоритм проектування зєднань за умови статичної міцності з урахуванням зміни температури при експлуатації. Чисельні експерименти показали, що урахування впливу температури дозволяє суттево зменшити довжину стику та массу зєднання. Так, у розглянутих випадках урахування температури при проектуванні зєднання привело до зменшення довжини стику на 25% і маси зєднання на 35,8%.

Основні результати дисертації викладено в таких публікаціях:

1. Карпов Я.С., Кривенда С.П. Принципы конструирования металлокомпозитных гетерогенных структур и их взаимосвязь с проектными параметрами агрегатов летательных аппаратов // Авиационно-космическая техника и технология: Труды Харьк. авиац. ин-та им. Н.Е. Жуковского. - Х., 1995. С. 343 - 349.

2. Кривенда С.П. Проектирование механических соединений // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сб. науч. трудов ХАИ. - Х., 1995. - С. 53 - 58.

3. Кривенда С.П. Проектирование соединения на основе металлокомпозитных гетерогенных структур // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сб. науч. трудов ХАИ. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1996. - С. 68 - 74.

4. Кривенда С.П. Обработка результатов испытания образцов соединений // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. - Х.: Гос. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”, 1998. - Вып. 6. - С. 205 - 209.

5. Кривенда С.П. О применении теории электрических цепей для определения напряжений в соединениях // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. трудов. - Х., 2001. - Вып. 27(4). - С. 115 - 118.

[1] – автору належать результати з визначення областей використання різних способів зєднання та їх комбінацій.

АНОТАЦІЯ

Кривенда С.П. Розрахунок на міцність комбінованих багатоелементних зєднань деталей літальних апаратів із композиційних матеріалів. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.03 – міцність літальних апаратів. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2003 р.

Дисертацію присвячено розробці методики розрахунку комбінованих багатоелементних зєднань деталей ЛА із КМ при складному термомеханічному навантаженні, а також методики їх проектування, які базуються на синтезованій математичній моделі НДС елементів цих зєднань.

Синтезована математична модель НДС зєднання довільного складу, що знаходиться при складному термомеханічному навантаженні, забезпечує достатню для проектування точність і простоту. Незалежність розмірності і виду системи рівнянь від типу використаних зєднувальних елементів та кількості точок навантаження зєднання (по краях стику та в його межах) забезпечує високу ступінь уніфікації цієї моделі. На основі запропонованої моделі розроблено методику розрахунку несучої здатності зєднання, в якій нововведенням є розрахунок міцності комбінованого силового звязку довільної структури. Крім того, розроблена модель була використана при синтезі методики проектування зєднання довільної структури з урахуванням впливу температури на НДС елементів цього зєднання.

Проведені дослідження дали змогу сформулювати рекомендації щодо відбору моделей для елементів зєднувального шару, а також щодо призначення доцільного ступеня дискретизації моделі зєднання. На основі результатів досліджень було виявлено можливість використання моделі для оцінки залишкової несучої здатності зєднання, що руйнується, а також сформульовано рекомендації щодо забезпечення підвищеної живучості як ділянки зєднувального шару, так і всього зєднання.

Результати дисертації впроваджені в навчальний процес.

Ключові слова: зєднання зі змінними параметрами, комбінований зєднувальний шар, напружено-деформований стан, термомеханічне навантаження.

АННОТАЦИЯ

Кривенда С.П. Расчет на прочность комбинированных многоэлементных соединений деталей летательных аппаратов из композиционных материалов. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.03 – прочность летательных аппаратов. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2003 г.

Диссертация посвящена разработке методики расчета комбинированных соединений деталей ЛА из КМ при сложном термомеханическом нагружении, а также методики их проектирования, базирующихся на математической модели НДС элементов этих соединений.

Синтезированная модель НДС комбинированных многоэлементных соединений, находящихся под действием сложного термомеханического нагружения, позволяет обеспечить достаточную для проектирования точность и простоту. Независимость размерности и вида системы разрешающих уравнений от типа используемых соединительных элементов (способов соединения) и количества точек нагружения (по краям стыка и в его пределах) обеспечивает высокую степень унификации данной модели. На базе предложенной модели разработана методика расчета несущей способности соединения, в которой новшеством является расчет на прочность соединительной связи произвольной структуры.

Для упрощения и удешевления исследований комбинированных многоэлементных соединений с имитацией сложного термомеханического нагружения была предложена электрическая модель соединения. В работе показано, что математическая модель электрической цепи, базирующаяся на правилах Кирхгофа, идентична математической модели соединения, основанной на классических зависимостях механики деформируемого твердого тела и строительной механики.

Исследования, результаты которых представлены в работе, были направлены на решение следующих задач: определение условий, при которых достоверность модели будет достаточно высокой; отработка методики и алгоритмов проектирования соединения, учитывающих особенности термомеханического нагружения и взаимодействия компонентов комбинированного соединительного слоя при передаче нагрузки.

В ходе решения первой задачи были изучены: влияние изменения значений податливости соединительного слоя, связанные с применением различных моделей его компонентов, на НДС соединения; влияние степени дискретизации модели соединения на сходимость результатов расчета с аналитическим решением; влияние степени дискретизации комбинированного соединительного слоя на НДС его компонентов. По результатам исследований были сформулированы рекомендации.

Для качественного выполнения второй задачи, т.е. разработки методики и алгоритмов проектирования были изучены: особенности распределения нагрузки в разрушаемом соединении (его остаточная прочность), условия обеспечения максимальной эффективности по прочности комбинированного соединительного слоя и условия обеспечения его повышенной живучести, а также степень влияния температурного поля на параметры соединения. По результатам исследования были сформулированы рекомендации по повышению эффективности процесса проектирования соединения путем поэтапного решения задачи; синтезирована методика проектирования, позволяющая учитывать влияние разницы температур изготовления и эксплуатации стыка на первых этапах его разработки, и отработан алгоритм проектирования. За основу методики принята предложенная модель НДС соединения.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс.

Ключевые слова: соединение с переменными параметрами, комбинированный соединительный слой, напряженно-деформированное состояние, термомеханическое нагружение.

SUMMARY

Krivenda S.P. Strength analysis of combined multi-element joints of aircraft articles made of composites. Manuscript. Thesis for defending candidate of technical science according to specialty 05.07.02 – strength of aircraft. National aerospace university named after N.E. Zhycovsky “KhAI”, Kharkiv, 2003.

The thesis is devoted to working out analysis method of combined multi-element joints of aircraft articles made of composites at complex thermal and mechanical loading and these articles design methods, based on synthesized mathematical model of stressed-strained state of these joints elements.

Synthesized mathematical model of stressed-strained state of arbitrary composition joint at complicated thermal and mechanical loading provides enough simplicity and precision for design. Independence of dimension and form of equation system on type of used joining elements and quantity of joint loading points (along the joint edge and inside of joint) ensures high unified degree of this model. The analysis method based on suggested model for joint load carrying ability is worked out. In this model the strength analysis of combined load carrying connection of arbitrary structure is the innovation. Besides worked out model was used for synthesis of design method of arbitrary structure joint, taking into consideration temperature influence on this joint elements stressed-strained state.

Provided researches permitted to compose recommendations for models selection of joining layer elements and for suitable discontinuity of joint model. The possibility of the model application, based on research results, was proved for estimation of residual load carrying ability of joint that breaks. Recommendations for high surviveability ensuring either joining layer section or entire joint were formulated.

The main results of the thesis are introduced to studying process.

Key words: joint with varied parameters, combined joining layer, stressed-strained state, thermal-mechanical loading.

Підписано до друку 29.03.2004 р.

Умовн. друк. арк. 1. Тираж 100 екз. Заказ №

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “

Харківський авіаційний інститут”

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр “ХАІ”

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu