Моделирование радиопрозрачного обтекателя из композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 629.7.023.24

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОПРОЗРАЧНОГО ОБТЕКАТЕЛЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

А. П. Попова, А. С. Суханов, Л. А. Бабкина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: popovaannapavlovna@mail.ru

Выполнено численное исследование напряженно-деформированного состояния обтекателя под действием аэродинамических нагрузок. Все проектные работы проводились в среде пакета SolidWorks. На основании аэродинамического расчёта проведён прочностной расчёт, включающий в себя расчёт статической прочности конструкции, жёсткости и устойчивости. Полученные результаты могут быть использованы при предэскизном проектировании подобных конструкций.

Ключевые слова: численное моделирование, радиопрозрачный обтекатель, набегающий поток. NUMERICAL MODELING OF COMPOSITE RADOME A. P. Popova, A. S. Sukhanov, L. A. Babkina

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: popovaannapavlovna@mail.ru

In the numerical analysis of the stress-strain, state of the radome under the action of the aerodynamic loads is presented. All design work was carried out in SolidWorks package. On the basis of the calculation of aerodynamic strength calculations carried out, including the calculation of the static structural strength, rigidity and stability. The results can be used in preliminary design of such structures.

Keywords: numerical modeling, radioparent radome, free-stream flow.

Обтекатель - это конструкция, которая уменьшает аэродинамическое сопротивление объекта при обтекании потоками жидкости или газа [1].

Обтекатели предназначены для защиты антенных устройств различных радиотехнических комплексов от внешнего воздействия ветра, влаги, температуры, механических ударов и других воздействий, и улучшения обтекаемости объектов, на которых он установлен. Их применение позволяет существенно продлить срок службы антенн. Основными задачами проектирования обтекателей является: обеспечение высокой радиопрозрачности (подбор материла для изготовления), сохранение формы обтекателя при эксплуатации (выбор формы и конструктивных размеров обтекателя, подбор толщины стенок) [1-3]

В настоящее время все большую актуальность приобретают прочностные расчеты с использованием CAD/CAE-систем, в которых можно проанализировать, как поведет себя конструкция в тех или иных эксплуатационных условиях [3].

В работе выполнено численное исследование НДС конструкции РПО под действием внешних нагрузок. Геометрическая модель обтекателя создана по алгоритмам трехмерного твердотельного моделирования в системе автоматизированного проектирования SolidWorks. Обтекатель представляет собой трёхслойную оболочку вращения, состоящую из двух несущих слоёв из стеклоткани толщиной t1 = t2 = 1 мм и заполнителя из пенопласта толщиной h = 30 мм (рис. 1).

Исследование НДС проводилось в конечно-элементном интегрированном пакете SolidWorks Simulation в предположении, что нижняя кромка РПО жёстко закреплена, внешнее давление равно 104603,8 Н/м2, что соответствует движению со скоростью 70 м/с.

Свойства слоев составной оболочки с учетом ортотропии представлены на рис. 2. Для создания конечно-элементной модели выбран оболочечный треугольный конечный элемент (рис. 3).

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1

Б

Рис. 3. Выбор параметров трёхслойной оболочки

Рис. 3. Конечно-элементная модель РПО

В результате расчёта напряжённо-деформированного состояния модели обтекателя были получены эпюры напряжений (рис. 4), перемещений, деформаций, коэффициента запаса прочности (рис. 5).

Для оболочек из композитных применяется критерий разрушения Т8а1-ИШ и Tsai-Wu.

Чтобы определить, выдержит ли слоистый материал нагрузку, сначала определяются напряжения в каждом слое. Затем рассчитывается коэффициент запаса прочности. Разрушением слоистого материала считается разрушение первого слоя или первой группы слоев.

Критерий разрушения Tsai-Hill применим к композитным оболочкам. Настоящий критерий учитывает энергию формоизменения, из суммарной энергии деформации, которая накапливается вследствие нагрузки.

Критерий Tsai-Wu применяется для определения запаса прочности композитных ортотропных оболочек. Настоящий критерий учитывает суммарную энергию деформации (энергия формоизмене-

ния и энергию расширения) для прогнозирования разрушений. Данный критерий более полный, чем критерий разрушения Tsai-Hill, так как он различает пределы прочности на сжатие и растяжение.

Если запас прочности больше 1, то данный слоистый материал безопасен в отношении разрушения.

Рис. 4. Эпюры напряжений РПО Рис. 5. Запас прочности конструкции

обтекателя по критерию Tsai-Wu

По результатам исследования можно сделать следующие выводы: проведённый расчёт на прочность радиопрозрачного обтекателя показал, что конструкция обтекателя выдерживает расчётную нагрузку с минимальным коэффициентом безопасности 1,87 по критерию разрушения Tsai-Wu.

Дальнейшая работа направлена на оптимизацию геометрии обтекателя (поиск отптимальной толщины стенки конструкции для уменьшения массы и стоимости обтекателя) и оценки его деформа-тивности и прочности.

Библиографические ссылки

1. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков / И. Г. Гуртовник, В. И. Соколов, Н. Н. Трофимов и др. М. : Мир, 2003.

2. Технология изготовления обтекателей из композиционных материалов / В. В. Василенко, Я. С. Карпов, С. П. Кривенда и др. Харьков, 2005.

3. Алямовский А. А. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб. : БХВ-Петербург, 2005. 800 с.

© Попова А. П., Суханов А. С., 2016