CC BY
0
Секция «Механика конструкций ракетно-космической техники»
УДК 539.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОМПОЗИТНОГО СОСУДА
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
С. А. Поконова* Научный руководитель - А. В. Лопатин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*Е-шай: serasima@mail.ru
В работе представлены результаты построения численной модели и анализа напряженного состояния композитного топливного бака электрореактивных двигательных установок космических аппаратов.
Ключевые слова: сосуд высокого давления, численный анализ, композиционный материал, напряженное состояние.
MODELING THE STRESS STATE OF A COMPOSITE HIGH PRESSURE VESSEL
S. A. Pokonova* Scientific supervisor - A. V. Lopatin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
*Е-mail: serasima@mail.ru
The paper presented the results on developing the numerical model and stress state analysis of a composite fuel tank used in the spacecraft propulsion system.
Keywords: high pressure vessel, numerical analysis, composite, stress state.
Благодаря высокой весовой эффективности сосуды давления, изготавливаемые методом непрерывной намотки композитной ленты, широко используются в аэрокосмической отрасли [1]. Примером такого использования является металокомпозитный бак высокого давления (МКБВД) в составе электрореактивных двигателей космических аппаратов, предназначенный для хранения рабочего тела. Основными компонентами МКБВД являются металлический лейнер, обеспечивающий герметичность и служащий оправкой, и композитная оболочка, которая определяет прочность и жесткость конструкции. Моделирование поведения МКБВД под действием внутреннего давления осложняется сложным характером взаимодействия силовой и герметизирующей оболочек. Это определяет необходимость разработки вычислительных моделей с детализацией достаточной для учета особенностей конструкции, которые в основном определяют ее напряженное состояние.
Моделирование напряженного состояния МКБВД объемом 350 л (рис. 1а) под действием внутреннего давления 9,5 МПа выполнено с использованием комплекса ANS YS [2]. Учитывая осевую симметрию геометрии бака и приложения нагрузки, конечно-элементная модель представляет собой 300 сегмент конструкции МКБВД, включающий лейнер и композитную оболочку (рис. 1б). Форма внешней поверхности лейнера с максимальным радиусом (экватором) R=0,5 м и толщиной 1 мм была рассчитана на основе проектирования оптимальных оболочек вращения [3]. Композитный слой образован намоткой по геодезическим траекториям 2-х семейств лент с полюсными отверстиями 38 и 76 мм. Суммарная толщина композита на экваторе 3 мм. Механические свойства материалов: лейнер, изотропный сплав с пределом текучести 340 МПа, модуль упругости Е = 110 ГПа,
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
коэффициент Пуассона v = 0,32; композит, углепластик, Е1 = 160 ГПа, Е2 = 7 ГПа, v12 = 0,26. Модель создана на базе 8-ми узлового элемента слоистой оболочки для композитного слоя, для лейнера использовался 20-ти узловой объемный элемент. Взаимодействие композитной оболочки и лейнера моделировалось как контакт деформируемых тел с учетом сил трения.
Напряженное состояние МКБВД характеризуется выраженной неоднородностью в лейнере и силовой оболочке особенно в области полюсного отверстия, где действуют максимальные напряжения (рис. 2). Это объясняется тем, что увеличение толщины композита в этой зоне ведет к росту изгибных деформаций, ведущих к неравномерному распределению напряжений, как по толщине, так и по образующей оболочки. Наибольшее контактное давление между лейнером и силовой оболочкой также наблюдается в зоне полюса. Наименьшее влияние на поле напряжений указанные выше факторы оказывают на часть МКБВД, расположенной ближе к экватору. В этой области результаты расчета в наибольшей степени соответствуют аналитическому решению (максимальные значения главных напряжений 800 МПа), полученному для аналогичной комбинированной оболочки [1].
Выполненные исследования показали особенности деформирования МКБВД, которые необходимо учитывать при проектировании и анализе композитных сосудов давления.
Рис. 1. Металлокомпозитный бак, нагруженный внутренним давлением: а) - расчетная схема; б) -
конечно-элементная модель
Рис. 2. Напряженное состояние МКБВД: а) - главные напряжения в композитном слое; б) - эквивалентные напряжения в лейнере
Библиографические ссылки
1. Vasiliev V.V. Composite Pressure Vessels: Analysis, Design, and Manufacturing. Blacksburg, VA: Bull Ridge Publishing, 2009. 704 p.
2. ANSYS® Academic Research, Release 17.0, ANSYS, Inc..
3. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А., Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1977. 144 с.
© Поконова С.А., 2022
