Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных д

Z J

/

Рис. 6.7. Области усталостного разрушения фланца цилиндрической части кожуха обшив­ ки со звукопоглощающим контуром (расчет с тензорной функцией поврежденности). Чис­ ло циклов нагружения N : 2,40-105 (а)\ 2,42ЛЪ5 (б)\ 2,44-105 (в)\ 2,45-105 (г); 2,97-105(Э>/; 4,78-Ю5 (е)

Рис. 6.8. Области усталостного разрушения фланца конусной части кожуха обшивки со звукопоглощающим контуром ( расчет с тензорной функцией поврежденности). Число циклов нагружения N : 0,279*lO3^ ; 0,449-103^ ; 0,608-lOVer); 0,871* 104 (г)\ (д)\

0,247-105 (е)

Интересно отметить, что уточненная оценка ресурса приблизительно в Ю3 раз выше, чем предварительная. Это свидетельствует о значительных резервах несущей способности композитных конструкции и, в частности, данного фланца. Можно отметить также, что конструкция фланца конусной части кожуха в прин­ ципе обеспечивает более высокий резерв несущей способности, чем типичные ва­ рианты фланцев цилиндрической части кожуха, силового корпуса и корпуса под­ весок, рассмотренные в предыдущих разделах.

6.5.Сравнительный анализ конструкций композитных фланцев

иметодов оценки их ресурса

Проводя сравнительный анализ результатов расчетов напряженнодеформированного состояния и ресурса работы рассмотренных четырёх типов композитных фланцев, можно сказать следующее. Запас статической прочности фланцев определяется уровнем поперечных напряжений в слоях пластика. Для фланцев силового корпуса и корпуса подвесок со звукопоглощающим контуром величина запаса прочности приблизительно в два раза выше, чем у фланцев ко­ жуха обшивки со звукопоглощающим контуром. Однако наработка до первого акта разрушения при воздействии симметричной циклической нагрузки фланцев силового корпуса и корпуса подвесок со звукопоглощающим контуром значи­ тельно выше, чем фланцев кожуха со звукопоглощающим контуром. Соответст­ вующие значения числа циклов нагружения для первых двух фланцев равны 3,91 М О7 и 2,230* 106 , а для фланцев кожуха обшивки — 2000. Кроме того, флан­ цы силового корпуса и корпуса подвесок обладают значительными резервами не­ сущей способности при воздействии циклических нагрузок, обусловленных рав­ новесным накоплением повреждений в слоях конструкции. Расчеты как со ска­ лярной, так и тензорной функциями поврежденности показывают приблизитель­ но одинаковый уровень уточненного ресурса у данных фланцев — порядка 108 циклов нагружения. Таким образом, можно сделать вывод, что фланцы силового корпуса и корпуса подвесок полностью удовлетворяют всем требованиям техни­ ческого задания.

Фланец конусной части кожуха обшивки, несмотря на сравнительно малое значение наработки до начала разрушения, обладает также большими резервами несущей способности — 0.272-108 циклов до образования сплошной зоны разру­ шения, пересекающей поперечное сечение фланца, в которой материал не обла­ дает несущей способностью. Фланец цилиндрической части кожуха имеет наи­ меньший ресурс — 0,5-10б циклов нагружения с учетом процессов накопления повреждений в слоях. Следует отметить, что предварительные оценки ресурса фланцев кожуха, по критерию наислабейшего звена принадлежат области мало­ цикловой усталости и нуждаются в дальнейшем уточнении. Можно сказать, что полученные значения являются нижней границей ресурса данных фланцев.

Остается открытым вопрос точного определения параметров внешних и вибрационных нагрузок, действующих на корпусные детали авиадвигателя, уров­ ня перегрузок и назначения минимально допустимых запасов прочности. Таким

образом, целью данных исследований являлась разработка подхода, позволяюще­ го оценивать прочность и ресурс композитных фланцев с учетом процессов нако­ пления повреждений. Представленные результаты расчетов, проведенных для наихудших условий статического и циклического нагружения, носят скорее ил­ люстративный характер и свидетельствуют о значительных ресурсах несущей способности композитных конструкций.

В рамках предложенного подхода возможна постановка и решение задачи оптимального проектирования облегченных фланцев из различных типов компо­ зиционных материалов. Решение данной задачи выходит за рамки настоящей мо­ нографии. Однако для проверки возможностей повышения ресурса композитных фланцев были проведены предварительные исследования, направленные на по­ иск наиболее рациональной схемы армирования фланца с наименьшим значением ресурса из рассмотренных вариантов — цилиндрической части кожуха со звуко­ поглощающим контуром.

С этой целью проведены расчеты более десятка конструктивных вариантов фланца в рамках тех же габаритных размеров без увеличения числа слоев тканого препрега, но с различными схемами их укладки. При анализе результатов уста­ новлено, что схема укладки весьма незначительно, в пределах десяти процентов, влияет на значение усталостной прочности фланца, оцениваемое по критерию на­ ислабейшего звена. Существенное повышение ресурса оказалось возможным только при замене отдельных слоев тканого стеклопластика на слои однонаправ­ ленного стеклоили углепластика. На рис. 6.10, 6.11 показаны модифицирован­ ные схемы армирования данного фланца, обеспечивающие ресурс конструкции до начала разрушения при симметричном циклическом нагружении с амплитудой,

равной статической нагрузке, 6-ИМ03 циклов. Наибольшим значением ре­

сурса / / у;=9,18103 циклов нагружения, обладает конструктивный вариант, пока­ занный на рис. 6.11,в.

Для рассмотренных вариантов наработка до разрушения вследствие воз­ действия вибрационных нагрузок составляет по формуле (2.24) Is/ 2J ~ 108 ч- 109

циклов нагружения. Таким образом, модифицированные схемы армирования дан­ ного фланца позволяют полностью обеспечить требуемый ресурс работы до воз­ никновения зон повреждений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Абовский Н.П.. Андреев Н.П. . Деруга А.П. Вариационные принципы теории упругости и теории оболочек.— М.:Наука,1978. 287 с.

2.Андерсон А.Я.. Лимонов В.А., Тамуж В.П., Перевозчиков В.Г Усталость слоистых композитов с различными схемами армирования // Механика ком­ позит. материалов. — 1989. — Т. 25, № 4. — С. 608—616.

Аношкин А.Н.. Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Неупругое деформирование и разрушение однонаправленных волокнистых композитов // Механика компо­ зит. материалов. — 1993.— Т. 29, № 5. — С. 621— 628.

4.Аношкин А.Н., Ташкинов А.А., Грицевич А.М. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей // Ме­ ханика композит, материалов. — 1997. —Т. 33, № 3. — С. 360— 369.

5.Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Нестационарные процессы накопления по­ вреждений композитных фланцев при циклических нагрузках // Механика композит, материалов. — 1997. —Т. 33, № 5. — С. 636— 643.

6.Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов: Спра­ вочник.—Л.:Машиностроение,1980. 247 с.

7.Барейишис Й.П., Даргушис С.А. Усталостная прочность некоторых материа­ лов. применяемых в конструкциях планера // Механика композит, материа­ лов. — 1980. — Т. 16, № 3. — С. 451—455.

8.Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шлейдерович Р.Н. Расчет на прочность деталей ма­ шин.— М.. Машиностроение, 1966. 616 с.

9.Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. — М.: Ма­ шиностроение, 1990. 368 с.

10.Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. — М.: Маши­ ностроение, 1997. 312 с.

11.Бутов А.У Фланцевые соединения.— Л.: Машиностроение, 1975. 191 с.

12.Вильдеман В.Э. О построении определяющих соотношений структурно­ феноменологической механики композитов // Механика микронеоднородных структур. —Свердловск: УрО АН СССР, 1988.— С. 77—80.

13.By Э. Феноменологические критерии разрушения анизотропных сред // Ком­ позиционные материалы. Т.2: Механика композиционных материалов: Пер. с англ. — М.:Мир. 1978.— С. 401—491.

14.Гольденблат И.И., Бежанов В.Л., Копнов В.А. Длительная прочность в маши­ ностроении.—М.: Машиностроение, 1977 248 с.

15.Джамп , Деннис. AutoCAD. Программирование. — М.: Радио и связь, 1992. 330 с.

16.Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших разряженных систем урав­ нений.—М.:Мир,1984. 333 с.

17 Динамика авиационных газотурбинных двигателей / Под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Шорра. — М.. Машиностроение, 1981. 232 с.

18. Захаров В.Н. Исследование зависимости циклической долговечности стекло­ пластиков от величины напряжений и асимметрии цикла // Свойства судо­ строительных стеклопластиков и методы их контроля. Выл. 3.— Л.. Судо­ строение, 1977 — С. 99— 105.

19.Захаров В.Н. Расчет долговечности стеклопластиков при статическом и цик­ лическом нагружении // Свойства полиэфирных стеклопластиков. — Л.. Су­ достроение, 1967. 167 с.

20.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике.— М.:Мир,1971. 541с.

21.Ильюшин А.А., Победря Б.Е. Основы математической теории термовязкоуп­ ругости. — М.: Наука, 1970. 280 с.

22.Композиционные материалы: Справочник //В.В. Васильев. В.Д. Протасов. В.В. Болотин и др. — М.: Машиностроение, 1990. 512 с.

23.Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе // Под ред. Л.Н. Лав­ рова. — М.: Машиностроение, 1993. 215 с.

24.Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. — М.: Металлургия, 1976. 456 с.

25.Лизин В. Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. — М.. Машиностроение, 1985. 344 с.

26.Мешков В.Е., Кулик В.И., Нилов А.С., Упитис 3-Т., Сергеев А.А. Исследова­ ние механических характеристик однонаправленных композиционных мате­ риалов при статическом нагружении // Механика композит, материалов. — 1991. — Т. 27, № 3. — С. 459— 467.

27.Олдырев П.П. О корреляции между статической и усталостной прочностью армированных пластиков // Механика полимеров. — 1973. — Т. 9, № 3. — С. 468—474.

28.Олдырев П.П., Тамуж В.П. Многоцикловая усталость композитных материа­ лов // Журн. Всесоюз. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. — 1989. — Т 24. № 5.

— С. 545—552.

29.Перевозчиков В.Г., Лимонов В.А., Протасов В.Д., Тамуж В.П. Статическая и усталостная прочность однонаправленных композитов при совместном дейст­ вии напряжений сдвига трансверсальных напряжений растяжения-сжатия // Механика композит, материалов. — 1988. — Т. 24, № 5. — с. 845— 851.

30.Писсанецки С. Технология разреженных матриц. — М.: Мир. 1988, 411 с.

31.Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. — М.: Изд-во Москв. ун-та, 1984. 336 с.

32.Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. — М.: Мир, 1979. 391с.

33.Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика деформирования и разрушения структурно неоднородных тел. — М.: Наука, 1984. 115 с.

34.Справочник по композиционным материалам: В 2 кн. Кн. 2 // Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ, под ред. Б.Э. Геллера, — М.: Машиностроение. 1988. 584 с.

35.Ташкинов А.А., Аношкин А.Н. Прогнозирование поперечной прочности од­ нонаправленных композитов при комбинированном нагружении // Механика композит, материалов. — 1995. —Т. 31, № 4. — С. 473—481.

36.Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов.— М.:Мир,1982. 232 с.

37.Hashin Z., Rotem A. A fatigue failure criterion for fiber reinforced materials // J. Composite Materials. — 1973. — Vol. 7. — P. 448—464.

38.Nahas M.N. Survey of failure and postfailure theories of laminated fiber-reinforced composites /7 J. Composite Technology and Research. — 1989. — Vol. 8, № 4. —

P 138— 153.