CC BY
108Перемещение U зависит от усилия N, радиуса оболочки R, длины l, мембранных жесткостей B11, B12, B22 и изгибной жесткости D11. В рамках континуальной модели сетчатой оболочки [3; 4] жесткости B11, B12, B22, D11 определяются следующим образом:
h3
B11 = A11h , B12 = A12h , B22 = A22h , D11 = A11 12 . (6) Здесь
A11 = 2Es cos4 ф, A12 = 2Es cos2 фsin2 ф, A22 = 2ES sin4 ф + Er, Es = Es ^ , Er = Er ^ . (7)
as ar
В уравнениях (6) и (7) параметрами, характеризующими сетчатую структуру оболочки (рис. 1), являются: угол наклона спиральных ребер ф, число спиральных ребер одного направления ns , высота ребер h, ширина спиральных ребер Ss, ширина кольцевых ребер Ъг, расстояние между спиральными ребрами as, расстояние между кольцевыми ребрами ar, модуль упругости материала спиральных ребер Es , модуль упругости материала кольцевых ребер Er .
Рис. 1. Параметры, характеризующие сетчатую структуру
Рис. 2. Характерная форма деформирования оболочки (l = 2m, ns = 48, ф = 30°)
Эффективность формулы (1) была успешно подтверждена с помощью метода конечных элементов. Максимальная относительная погрешность между значениями, полученными с помощью формулы (1), и конечно-элементным решением не превышает 2 %. Конечно-элементный анализ проводился с использованием пакета MSC Nastran [5].
Характерная форма деформирования оболочки (l = 2m, ns = 48, ф = 30°) показана на рис. 2.
Библиографические ссылки
1. Анизогридные композитные сетчатые конструкции - разработка и приложение к космической технике / В. В. Васильев, В. А. Барынин, А. Ф. Разин и др. // Композиты и наноструктуры. 2009. № 3. С. 38-50.
2. Vasiliev V., Barynin V., Rasin A. Anisogrid lattice structures - survey of development and application // Composite Structures. 2001. Vol. 54. P. 361-370.
3. Vasiliev V. V. Mechanics of composite structures. Washington : Taylor & Francis, 1993.
4. Vasiliev V. V., Morozov E. V. Advanced mechanics of composite materials and structural elements. Amsterdam : Elsevier, 2013.
5. Рычков С. П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М. : ДМК Пресс, 2013. 784 с.
References
1. Vasil'ev V. V., Barynin V. A., Razin A. F. [Anisogrid composite lattice constructions - development and application in space technology] // Kompozity i nanostruktury. 2009. № 3. P. 38-50. (In Russ.)
2. Vasiliev V., Barynin V., Rasin A. Anisogrid lattice structures - survey of development and application. Composite Structures. 2001. Vol. 54. P. 361-370.
3. Vasiliev V. V. Mechanics of composite structures. Washington : Taylor & Francis, 1993.
4. Vasiliev V. V., Morozov E. V. Advanced mechanics of composite materials and structural elements. Amsterdam : Elsevier, 2013.
5. Rychkov S. P. Modelirovanie konstrukcij v srede Femap with NX Nastran [Structure simulation in Femap with NX Nastran sphere]. M. : DMK Press, 2013. 784 p.
© Шатов А. В., Хахленкова А. А., 2016
УДК 629.78.01:620.22-419
ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИЦИОННЫ1Х МАТЕРИАЛОВ
А. К. Шатров, Д. В. Орлов
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: [email protected]
Исследованы и поэтапно приведены методы проектирования конструкций с применением КМ с учетом временных, температурных и других факторов.
Ключевые слова: композиционные материалы, методы проектирования.
<Тешетневс^ие чтения. 2016
THE MAIN FEATURES OF THE DESIGN OF STRUCTURES USING COMPOSITE MATERIALS
A. K. Shatrov, D. V. Orlov
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
The research demonstrates methods of designing structures using the composite materials at the given the time, temperature, and other factors.
Keywords: composite materials, design methods.
Разработка инженерных методов расчета долговечности и прочности элементов конструкций из КМ с учетом временных, температурных и других факторов еще далека от завершения. Проводимые в нашей стране и за рубежом многочисленные исследования элементов конструкции из КМ часто носят разрозненный характер, методика исследования разнообразна и не всегда обоснована. Поэтому опубликованные результаты и рекомендации часто трудносопоставимы, а иногда противоречивы.
Потенциальные возможности КМ гораздо выше возможностей традиционных материалов. Наглядными показателями весовой эффективности материалов являются удельные механические характеристики, например, удельная прочность (отношение предела прочности а к плотности материала р) и удельный модуль упругости (отношение модулей упругости E и G к плотности р) [1].
На первом этапе проектирования задаются геометрия конструкции и технические требования к материалу и элементам конструкции: величины, направления и характер действующих нагрузок, температура и другие специальные требования. Исходя из этих данных, выбирают тип КМ (углепластик, органопла-стик, гетероволокнистый материал и т. п.), предполагаемый метод изготовления из него конструкции заданной геометрии (формование, намотка и т. п.) и формулируют требования к материалу по технологичности. Выбор типа КМ позволяет в первом приближении по справочным данным или расчетным путем определить значения физико-механических характеристик однонаправленного слоя КМ, таких как плотность, модуль упругости, прочность, теплофизи-ческие, специальные свойства и т. д. После этого с учетом свойств выбранного материала, величин и направлений действия на элемент конструкции нагрузок предварительно определяются суммарная толщина слоев, направление ориентации в них волокон и способ соединения деталей в узлы (клеевое, механическое, комбинированное) [2].
На втором этапе производится уточнение требований к материалу монослоя КМ и назначение предварительных требований к соединению элементов конструкции (несущая способность и ее изменение в процессе эксплуатации), исходя из выбранной схемы армирования, типа соединения и технических требований, предъявляемых к конструкции. При этом учитываются изменения свойств монослоя в КМ и характеристик соединения элементов конструкции под влиянием таких факторов, как температура, среда и другие специальные воздействия. С учетом характера нагружения и вида напряженного состояния, воздей-
ствующего на монослой в КМ, используя уравнения микромеханики композитов, задают такие параметры, как степень армирования, пористость, прочность сцепления волокон с матрицей, упругопрочностные характеристики волокон и матрицы. Исходя из этих параметров, определяются: для армирующих волокон -вид поверхностной обработки, характеристика поверхности, текстильная форма наполнителя; для полимерного связующего - вязкость, скорость отверждения, жизнеспособность и т. д. При этом устанавливаются некоторые параметры технологического процесса формования, такие как давление, температура и время термообработки, обеспечивающие получение материала с необходимым соотношением компонентов и термостабильностью. На этом же этапе задаются характеристики поверхности соединяемых деталей, их конструктивные особенности, а также назначаются методы контроля качества материала и соединения. При этом следует уделять большое внимание неразрушающим методам (НМК) качества КМ и деталей на их основе как наиболее удобным и перспективным [3—41.
Третий этап проектирования предусматривает уточнение схемы армирования с учетом реальной толщины монослоя: ориентацию и количество монослоев, их расположение по толщине материала. В последнем случае учитывается требование симметрии ориентации слоев относительно средней плоскости во избежание короблений вследствие термических напряжений. Уточняются конструктивные размеры и технологические параметры сборки соединяемых элементов конструкции с учетом напряжений, вызванных усадкой и разностью коэффициентов термического расширения материалов соединяемых деталей при сборке и в процессе эксплуатации. После уточнения схемы армирования и геометрических размеров (сечений) конструкции проводится расчет напряжений коэффициентов запаса прочности [5]. Если коэффициенты запаса прочности по некоторым элементам избыточны (недостаточны) или имеет место стремление снизить массу конструкции, изменить частотные характеристики отдельных узлов и агрегатов, прибегают к уточнению схемы армирования. Уточнение можно проводить, меняя количество монослоев, их взаимную ориентацию, заменяя материал отдельных монослоев композита на другой, с более подходящими характеристиками. В последнем случае осуществляется переход к гетероволокнистому композиту. Так, например, в целях повышения ударной вязкости материала часть углеродных и борных волокон можно заменить на органические и стеклянные: в целях повышения модуля упругости и предела выносливости
материала, наоборот, часть органических и стеклянных волокон заменяют высокомодульными углеродными или борными волокнами [6]. Так же поступают при необходимости повысить жесткость какого-либо элемента конструкции на кручение, заменяя волокна в перекрестно-армированных слоях (±45°) на более высокомодульные. После уточнения проводят проверочный расчет конструкции и определяют коэффициенты запаса по прочности и жесткости.
Поэтапное рассмотрение процесса проектирования показывает, что материал и конструкция создаются одновременно, поэтому для успешного проектирования на всех этапах необходимо тесное взаимодействие расчетчиков, конструкторов, материаловедов и технологов.
Библиографические ссылки
1. Тамуж В. П. Советско-американский симпозиум «Разрушение композитных материалов». 1979. № 1. С. 169—175.
2. Тамуж В. П., Терес Г. А. Проблемы механики композитных материалов // Механика композитных материалов. 1979. № 1. С. 34—35.
3. Брызгалин Г. И., Копейкин С. Д. О многоцелевом проектировании волокнистых композитных материалов // Механика композитных материалов. 1980. № 3. С. 404—408.
4. Болотин В. В., Новиков Ю. Н. Механика многослойных конструкций. М. : Машиностроение, 1980.
5. Болотин В. В. Плоская задача теории упругости для деталей из армированных материалов // Расчеты на прочность. 1966. Вып. 12. С. 3-31.
6. Туманов А. Т. Авиационные материалы. 6-е изд. Т. 7, ч. 1. ОНТИ. М., 1976.
References
1. Tamuzs V. P. the Soviet-American Symposium «Facture of composite materials» Fracture of composite materials». 1979. № 1. Р. 169-175;
2. Tamuzs V. P., Teres G. A. problems of mechanics of composite materials // Mechanics of composite materials. 1979. № 1. Р. 34-35.
3. Bryzgalin G. I., Kopeikin S. D. About the multipurpose design of fibrous composite materials // Mechanics of composite materials. 1980. № 3. Р. 404-408.
4. Bolotin V. V., Novikov Yu. N. Mechanics of multilayered constructions. М. : Engineering, 1980.
5. Bolotin V. V. the plane problem of elasticity theory for parts made of reinforced materials // Strength calculations. 1966. Вып. 12. Р. 3-31.
6. Tumanov A. T. member. Q USSR Academy of sciences. Aviation materials. T. 7, part 1. 6-th еd. ONTI. M., 1976.
© Шатров А. К., Орлов Д. В., 2016
УДК 621.01
АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
В. О. Шевчугов, С. А. Зоммер, Д. А. Климовский
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Новое поколение технологического оборудования на основе механизмов параллельной структуры является мощным стимулом для интенсивного развития машиностроения, робототехники и станкостроения. При проектировании нового механизма всегда возникает вопрос: с чего начать и что делать дальше? В работе рассматривается возможный алгоритм проектирования механизмов параллельной структуры.
Ключевые слова: механизм параллельной структуры, проектирование механизмов.
ALGORITHM OF DESIGNING PARALLEL KINEMATIC MACHINE V. O. Shevchugov, S. A. Zommer, D. A. Klimovskiy
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The new generation ofprocess equipment based on parallel kinematic machines is a powerful incentive for intensive development of mechanical engineering, robotics and machine tools. When designing a new mechanism the question always arises: where to start and what to do next? The paper presents a possible algorithm for the design of parallel kinematic machine.
Keywords: parallel kinematic machine, design of mechanism
Для современного машиностроения, особенно в При этом постоянно повышается сложность геомет-области самолетостроения и ракетостроения, харак- рической формы деталей, повышаются требования к терно применение методов сверхскоростной обработ- точности сопряженных поверхностей, к работоспо-ки деталей за одну установку на эффективном высо- собности деталей машин в условиях возрастания экс-копроизводительном технологическом оборудовании. плуатационных скоростей и нагрузок.
