Разработка дискретной модели сетчатой оболочки сложной структуры в пакете программ «Композит-НК» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Решетневские чтения

УДК 539.3

О. А. Штейнбрехер

Новокузнецкий институт-филиал Кемеровского государственного университета, Россия, Новокузнецк

РАЗРАБОТКА ДИСКРЕТНОЙ МОДЕЛИ СЕТЧАТОЙ ОБОЛОЧКИ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ

В ПАКЕТЕ ПРОГРАММ «КОМПОЗИТ-НК»

Рассмотрена задача построения дискретной модели сетчатой оболочечной конструкции сложной структуры на входном языке «Ядро» пакета программ «Композит-НК». Представлены результаты задачи расчета напряженно деформированного состояния описанной конструкции.

Развитие вычислительной техники и численных методов расчета позволяет в настоящее время решать задачи статики, устойчивости, динамики [1; 2] машиностроительных конструкций сложной структуры. Современный рынок программных продуктов предлагает большой выбор программных комплексов для решения краевых задач. Одним из решающих факторов выбора программного продукта как инструмента решения задачи является возможность построения более точной дискретной модели изучаемой конструкции.

Моделирование сетчатых оболочечных конструкций из композиционных материалов при решении задач расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) [2] требует учета всех составляющих и подкрепляющих элементов конструкции. Сетчатая оболочка представляет собой систему спиральных, кольцевых ребер и обшивку, может содержать подкрепляющие элементы, вырезы и усиления. Только точное детальное моделирование позволит более точ -но рассчитать напряженное состояние конструкции. На кафедре математики и математического моделирования Новокузнецкого института (филиал) Кемеровского государственного университета разработан пакет программ «Композит-НК», в том числе для расчета НДС оболочечных конструкций машиностроительного назначения. Особенностью пакета является входной язык «Ядро», предназначенный для задания регулярных массивов данных.

Покажем применение встроенного входного языка программирования на примере разработки дискретной модели сетчатой оболочки сложной структуру. Конструкция состоит из двух частей: алюминиевого стрингерного отсека и композитной сетчатой оболочки.

Нижняя часть представляет собой цилиндрическую оболочечную конструкцию из композиционных материалов в виде усеченного конуса, образованную регулярной системой спиральных и кольцевых ребер, соединенных внешней поверхностью с однослойной обшивкой. Конструкция укреплена двумя шпангоутами - передним и задним, встроенным кольцом и четырьмя продольными ребрами. Имеется три компенсированных выреза круглой формы, закрытые люками и усиленные двумя окантовками. Люк верхнего выреза усилен тремя вертикальными стрингерами.

Сетчатая оболочка из углепластика в форме усеченного конуса содержит внешнюю и внутреннюю окантовки люков. Крышки люков по форме совпада -

ют с вырезами. Стрингеры на крышке верхнего люка выполнены в виде равнобоких уголков.

Стрингерный отсек представляет собой конструкцию цилиндрической формы и состоит из однослойной алюминиевой обшивки. Отсек содержит четыре равнорасположенных по окружной координате проема, частично закрытых несъемными крышками, имеющими форму панели двоякой кривизны. Отсек укреплен шестью десятками стрингеров, расположенных между проемами и тремя шпангоутами - двумя торцевыми и промежуточным. Стрингеры и шпангоуты также выполнены из алюминия.

При создании дискретной модели были выбраны следующие типы конечных элементов: треугольник Зенкевича для оболочек и балка типа Тимошенко для ребер [3]. Схема разбиения обшивки нижней части конструкции на треугольные конечные элементы получалась естественным образом наложением оребре-ния. Границы треугольных элементов представляют проекции осей спиральных ребер и линии, проходящие через точки их пересечения параллельно продольной оси оболочки и вдоль окружности. Эта же сетка узлов используется при разбивке каждого ребра и шпангоутов на конечные элементы типа балок Тимошенко. Для задания структурной модели конструк -ции формируется три группы входных данных: данные в узлах модели, данные элементов модели и данные справочного характера. В первой группе содержится информация о узлах сетки, во второй - информация о конечных элементах модели, в третьей - информацию о параметрах задачи.

При формировании дискретной модели оболочки использовалось 32364 КЭ, 9188 узлов. Конечно-элементная модель конструкции представлена на рисунке.

Дискретизация композитной части и стрингерного отсека

Математические методы моделирования, управления и анализа данных

Описанная выше модель использовалась для расчета НДС при статическом нагружении. Передняя кромка конструкции нагружалась сжимающей погонной силой. Нагрузка распределялась равномерно вдоль передней кромки. Перемещения в узлах нижней кромки композитной части конструкции были жестко закреплены.

Расчет напряженно-деформированного состояния проводился в пакете программ «Композит-НК». Анализ результатов расчета показал: стрингеры верхнего отсека и спиральные ребра композитной части всюду сжимаются, а кольцевые ребра растягиваются;

в обшивке стрингерного отсека происходит концентрация напряжений в углах проемов, в обшивке композитной части - возле вырезов.

Библиографические ссылки

1. Каледин В. О. Численно-аналитические модели в прочностных расчетах пространственных конструкций / НФИ КемГУ. Новокузнецк, 2000.

2. Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. М. : Наука, 1988.

3. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М. : Мир, 1979.

O. A. Shteinbreher

Novokuznetsk Branch-Institute of Kemerovo State University, Russia, Novokuznetsk

DEVELOPMENT OF THE DISCRETE MODEL OF LATTICED HULL MULTIPLEX STRUCTURE OF THE PROGRAM PACK «COMPOSITE-NK»

The problem of construction of a discrete model of latticed hull-based construction of multiplex structure in the program pack «Composite-NK» on the source language «Yadro» is considered. The results of the proposition of calculation of the stressed-deformation condition of this construction are presented.

© fflreHH6pexep O. A., 2011

УДК 536.242.1:629.782.01+518.5

Э. В. Шубин, А. А. Коробков, А. Н. Фуров, А. В. Свистунов Серпуховской военный институт ракетных войск, Россия, Серпухов

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ АСИММЕТРИЧНЫХ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, СОВЕРШАЮЩИХ ДЛИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ В АТМОСФЕРЕ ПЛАНЕТ*

Разработанная методика позволяет проводить оценку прогрева многослойного теплозащитного покрытия (ТЗП) асимметричных гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) с учетом зависимости теплофизических характеристик (ТФХ) теплозащитных материалов (ТЗМ) от термобарических параметров (ТБП); оценку тепловой энергии, отдаваемой внутренней стенкой во внутреннюю среду асимметричных ГЛА; оценку рациональной массы многослойного ТЗП асимметричных ГЛА.

Внедрение автоматизированного проектирования перспективных ГЛА, совершающих длительное движение в атмосфере Земли, и других планет Солнечной системы в условиях воздействия нестационарного аэродинамического нагрева [1] предопределяет необходимость комплексного расчета основных характеристик и полей (температур, градиентов температур и термонапряжений) ТЗП таких ГЛА.

Для их определения была разработана методика оценки параметров тепловой защиты ГЛА, которая представлена ниже.

Постановка задачи, исходные данные, основные допущения и ограничения Задача состоит в определении: - температурных полей многослойного пакета ТЗП ГЛА T = f (х, t);

- полей градиентов температур многослойного

дT ( x, t)

пакета ТЗП ГЛА —^^ = / (х, 0 ;

дx

- полей термонапряжений многослойного пакета ТЗП ГЛА у = f (х, 0;

- толщины каждого слоя многослойного ТЗП йрЗП и пакета кТЗП в целом ГЛА;

- теплового потока, поступившего внутрь ГЛА 2вн ;

- внутреннего гермообъема ГЛА Увн ;

- массы каждого слоя многослойного ТЗП т.рЗП. и пакета ТЗП тТЗП в целом ГЛА;

- необходимого количества теплоносителя т .

теплоносит

*Исследования проводятся по гранту Президента РФ № МК-5276.2011.8.