АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ - 2003

СРЕДНЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ ПОРОХОВЫХ ГАЗОВ В КАНАЛЕ СТВОЛА

Романов Н.И., Ожиганов И.А.,Шелякин Ю.П., Григорьев В.Н., Романов М.Н., ПономаревХ.А. Пермский государственный технический университет,

ОАО «Мотовилихинские заводы», г. Пермь

При решении основной задачи внутренней баллистики (ОЗВБ) АО определяется некоторое давление пороховых газов (ПГ) Р в заснарядном пространстве. В ряде работ по баллистики [1] это давление используется без особого названия; в некоторых [2] - оно называется «среднебаллистическим давлением, одинаковым для всех точек занарядного пространства в данный момент времени». Считаем, что это определение является справедливым. Среднее баллистическое давление используется для определения давления ПГ у дна снаряда РСн и дна канала ствола Р ^ . В работе [1] эти давления определяются из выражений:

Принимается также, что реальное давление ПГ по длине заснарядного пространства между Ркн и Рен

выражение для определения Рен, введен некоторый дополнительный коэффициент (р^ • С учетом этого

дополнительного коэффициента, выражение для определения Рен и Ркн принимают, например вид:

Получено выражение для определения коэффициента (pi.

_ 2(р

(4)

92 ^i(l + ^o)

Введение дополнительного коэффициента qh несколько увеличивает давление ПГ у дна снаряда. В докладе рассматривается результаты исследований по данному вопросу.

1. Ларман Э.К. Курс артиллерии, т.1. / АИА, 1956.

2 . Серябряков М.Е. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет / Оборонгиз, 1967.

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УСИЛЕНИЯ ЭЛАСТОМЕРОВ ДИСПЕРСНЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ

Рыбаков Й.А.

, Пермский государственный технический университет

Экспериментальное решение этой задачи зачастую ограничено либо экономическими причинами, либо технической сложностью эксперимента, либо невозможностью осуществления последнего. Определение значений этих параметров сводится к вычислению значений характеристик различной физико­ химической природы гетерогенных материалов. Из различных способов пригодных для этого, наиболее подходящим, по-видимому, является модель [1] вычисления эффективных характеристик гетерогенных материалов, основанная на полевых методах теории многих тел. Воспользуемся, например, формулой, следующей из симметричного приближения, и которая для двухкомпонентной смеси имеет вид:

В этой формуле й ф £>,, и D2 есть значения одноименного параметра для смеси, первой и второй компонент, соответственно; Фу - объёмная доля первой компоненты. В данной работе обсуждается возможность применения предлагаемой модели для исследования концентрационной зависимости усиления каучуков и резин дисперсными наполнителями. Некоторые свойства усиленных дисперсными наполнителями каучуков и резин, а в общем случае наполненных эластомеров имеют свои особенности. Одним из основных свойств наполненных эластомеров и изделий из них является комплекс реологомеханических характеристик. Для решения задач оптимизации свойств и технологической переработки наполненных эластомеров нужно иметь количественные зависимости реолого-механических характеристик эластомеров от параметров их рецептуры и технологии производства.

Значения реолого-механических характеристик компонент наполненных эластомеров [твёрдого наполнителя (пусть это будет D\) и связующего (соответственно D2)] существенно различаются. По

данным работы [2] отношение —- = 103 —10 5, например, для динамической вязкости и модуля вязкой

D 2

упругости. Для наполненных эластомеров формула (1) принимает вид:

В работе [2] для зависимости динамической вязкости и модуля вязкоупругости наполненных

Список литературы

1.Рыбаков Н.А. Определение параметров гетерогенных материалов. // Аэрокосмическая техника и

высокие технологии - 2002. - Пермь: ПГТУ, 2002 - с. 227.

2.Ермилов А.С., Зырянов К.А., Концентрационная зависимость усиления каучуков и резин дисперсными наполнителями. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2001, т. 67, №9 - с. 62-64.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ РДТТ

СйльниковА. Ф., Сальников Д.А.

Пермский государственный технический университет

Проведены экспериментальные и теоретические исследования условий возникновения продольных колебаний в камере сгорания РДТТ. Изучалось влияние различных факторов на возможность возникновения продольных акустических колебаний. Исследования показали, что причинами возникновения подобных колебаний в камере сгорания РДТТ могут являться как газодинамические источники, так и кинетические. Первые связаны с взаимодействием основного потока с конструктивными элементами камеры сгорания. Кинетические источники связаны, в первую очередь, с поверхностью горения, т.е. с процессами горения. Газодинамические источники возникновения продольной акустической неустойчивости работы РДТТ являются определяющими, т.к. их «вклад» в приток акустической энергии составляет 85-92%, в то время как доля энергии от кинетических источников составляет 8-15%. Однако, для крупногабаритных РДТТ с быстрогорящими топливами (U>30 мм/сек при давлении Р>6 МПа), вклад поверхности горения в энергию колебаний достаточно существенен и при определенных условиях кинетические источники могут являться условиями перестройки колебательных процессов в камере сгорания РДТТ. Ниже представлено изменение относительной амплитуды притока акустической энергии от поверхности горения к амплитуде притока энергии от газодинамических источников для 1 и 2 моды колебаний, полученное для конкретного двигателя.

1 мода

2 мода

На графике видно, что на участке работы двигателя с 0.8 до 2.4 секунд вторая мода продольных колебаний является определяющей. Это подтверждает идею о важности изучения и учета кинетических источников притока акустической энергии в РДТТ.

ПОДДЕРЖАНИЕ ВЫСОКОЙ НАДЕЖНОСТИ МОЩНЫХ ЖРД В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОГО СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА С УЧЕТОМ ПОВЫШЕНИЯ ИХ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Сатюков В.А.

ОАО «Протон - Пермские моторы», г. Пермь

На заводе им. Я.М.Свердлова, предшественнике ОАО «Протон - Пермские моторы», с 1963 года изготавливался самый мощный ЖРД в мире тягой 1474 кН на земле. Двигатель РД-253, разработанный в 1961 - 1965 годах в НПО «Энергия», после модернизации в 1992 году получил индекс РД-275, и его земная тяга возросла до 1670 кН. В настоящее время проводится очередная модернизация двигателя с целью увеличения тяги на 5 %. К двигателю первой ступени предъявляются очень жесткие требования по надежности, что особенно актуально для ракеты-носителя «Протон», все ступени которого работают на самовозгорающихся компонентах, и в случае аварии при запуске на первой ступени неизбежно полное разрушение уникального стартового комплекса. Коэффициент надежности двигателя РД-275 составляет 0,998 и является самым высоким среди ЖРД, изготавливаемых во всех ведущих двигателестроительных фирмах мира за всю историю ракетостроения.

Целью настоящего исследования является уточнение значений прочностных характеристик входных магистралей двигателя на примере магистрали подвода окислителя МО13-100. Двигательная установка первой ступени ракеты-носителя «Протон» состоит из шести двигателей, установленных на кардановых подвесах, что дает возможность за счет изменения векторов тяги двигателей обеспечить движение ракеты по расчетной траектории. Входные магистрали двигателей работают в очень сложных условиях: гидроудары при запуске и выключении, пульсации при изменении режимов, виброперегрузки и возможность возникновения опасных резонансных явлений. Указанные факторы приводили на некоторых многодвигательных установках к разрушению ракеты-носителя и стартового комплекса.

За период серийного производства двигателей РД-253 и РД-275 и их модернизации были проведены конструктивные и технологические изменения с целью повышения надежности входных магистралей, повышения качества и прочности сварных соединений, повышения технологичности и снижения трудоемкости их изготовления. За рассматриваемое время по магистрали МО13-100 было проведено 13 крупных изменений по конструкции и 11 по технологии, что позволило удержать стабильность производства и надежность изготовления на должном уровне, существенно снизить количество серьезных и повторяющихся дефектов. Можно констатировать, что в настоящее время не полностью решены вопросы по двум проблемам:

•Засорение внутренних полостей посторонними частицами.

•Трещины и непровары сварных швов, обнаруживаемые при контроле.

Увеличение тяги двигателя при его модернизации повышает нагрузку на конструкцию, в том числе и на входные магистрали, толщина которых остается неизменной, поэтому определение реальных запасов прочности является весьма актуальной задачей. Из расчетов и результатов эксперимента следует, что наиболее нагруженной деталью, работающей под внутренним давлением во входной магистрали окислителя, является входной патрубок М003-120, в котором на штатном рабочем режиме приведенное напряжение растяжения составляет 9,26 кгс/мм2 и запасы прочности пВ = 6,80 и пТ = 4,86. При гидроударе в магистрали приведенное напряжение в патрубке составило 32,4 кгс/мм2 и запасы прочности пВ = 1,44 и пТ = 1,39.

Результаты экспериментальных и численных исследований показали, с увеличением тяги двигателя на 5 % его прочностные характеристики снижаются несущественно, а рассчитанные коэффициенты запаса прочности удовлетворяют регламентным требованиям.

Анализ разрушений сварных конструкций показывает, что их причиной является, как правило, дефекты типа трещин, а также недостаточное сопротивление материала распространению в нем трещины при воздействии данных эксплуатационных факторов. Поэтому возникает прямая необходимость в определении величины сопротивления материала распространению в нем трещины (трещиностойкость) и учете значений этой характеристики при оценке свойств материала в конструкции при заданных условиях его эксплуатации.

В рамках данной работы были проведены испытания сварных соединений хромоникелевой стали маршевого ракетного двигателя РД-253 первой ступени ракетоносителя «Протон» на статическую трещиностойкость. Для этого применялись образцы стандартной формы /1/, отличительной особенностью которых является наличие сварного шва в рабочей зоне. При этом шов располагается вдоль предполагаемой траектории движения трещины при испытании, а вершина одностороннего надреза находится в непосредственной близости от сварного шва. Поскольку образцы сварного соединения вырезаны из готового изделия, то они обладают также и конструктивными особенностями этого изделия. Образцы имеют радиус скругления, соответствующий радиусу трубопровода; толщина образцов соответствует толщине свариваемой стенки изделия. Радиус скругления достаточно велик относительно габаритов образца, поэтому при анализе результатов испытаний его влиянием пренебрегали. Малая толщина стенок изделия приводит к тому, что в носике трещины не возникают условия плоской деформации, поэтому значения характеристик трещиностойкости необходимо считать условными.

По условиям статических испытаний образцов на трещиностойкость в вершине надреза предварительно должна быть сформирована усталостная трещина. Получение начальной усталостной трещины в образцах производилось на усталостной машине. Усталостное нагружение образцов проводилось в условиях отнулевого жесткого циклического растяжения при постоянном визуальном контроле длины начальной трещины. Перед статическими испытаниями фиксировались индивидуальные геометрические размеры каждого образца и визуально определимая длина начальной трещины. Статические испытания образцов на внецентренное растяжение проводились с использованием информационно-испытательного комплекса: разрывная машина Р-0,5 - АЦП - персональный компьютер IBM-PC. Результаты испытаний представляют собой набор соответствующих значений величин перемещения активного захвата испытательной машины и усилия для каждого образца, зафиксированный в виде файла данных. Полученные данные позволяют строить диаграммы деформирования образцов в координатах усилие - перемещение.

Экспериментальные данные в виде диаграмм деформирования использовались для расчета характеристик трещиностойкости. При расчете характеристик трещиностойкости сварного соединения используется энергетический критерий механики разрушения, основанный на модели хрупкого разрушения. В рамках линейной механики разрушения величина необратимой работы, затраченной на образование единицы площади свободной поверхности трещины, является постоянной характеристикой материала. Учитывая, что устойчивое развитие трещины определяется балансом полной энергии механической системы, по данным эксперимента в виде диаграмм деформирования можно определить значения коэффициента интенсивности напряжений /2/. При этом для каждой точки диаграммы деформирования тела с трещиной, используя итерационный алгоритм расчета НДС, определяются соответствующие значения параметров трещиностойкости. Для расчета полей напряжений в образце с трещиной применялись численные процедуры метода конечных элементов, реализованные в

программном пакете ANSYS.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследовании в

раМках проекта РФФИ-Урал №02-01-96403.

Список литературы

1ГОСТ 25 506-85 Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. -М.: Изд-во стандартов,

1985.

2Соколкин ЮВ Федотов А.В., Чекалкин А.А. Экспериментально-расчетный метод исследования распространения трещин в порошковых структурно-неоднородных материалах// Вестник ПГТУ Механика композитов. Пермь, 2000. № 1. С 100-105.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАРНЫХ. ТРУБОПРОВОДОВ ЖРД

Сатюков В.А. *, Соколкин Ю.В. ** Чекалкии А.А. **, Котов А.Г ** * ОАО «Протон - Пермские моторы», Пермский государственный технический университет

Рассматривается задача о деформации и трещиностойкости сварного тонкостенного трубопровода узла подвода ЖДР под внутренним давлением. Трубопровод представляет собой тонкостенную пространственную сварную конструкцию. Два продольных шва и один кольцевой шов соединяют конический и тороидальный фрагменты трубопровода постоянной толщины. Геометрическая модель трубопровода создается в терминах твердотельного моделирования и представляет собой совокупность координат ключевых точек, связанных списков геометрических объектов и математических определений их типов. Для описания оболочечных элементов конструкций используется трехуровневая иерархия геометрических объектов: точка - линия - поверхность.

Для расчета и анализа напряженно-деформированного состояния рассматриваемой конструкции формулируется краевая задача статики в рамках теории оболочек Кирхгофа-Лява. Численная реализация осуществляется методом конечных элементов с использованием восьмиузлового четырехугольного оболочечного конечного элемента с нелинейными функциями формы.

Численное исследование параметров трещиностойкости конструкции проводится в рамках представлений линейной упругой механики разрушения и на основе двухуровневого подхода. Суть данного подхода заключается в том, что макроскопические поля напряжений, полученные из решения краевой задачи статики оболочечной конструкции, используются как внешние нагрузки в задаче второго уровня - описания процесса деформирования в окрестности вершины трещины и расчета параметров трещиностойкости. Алгоритмически данную методику можно представить в виде последовательности следующих этапов:

■расчет напряженно-деформированного состояния конструкции;

■определение компонент тензора напряжений в интересующих зонах (точках) конструкции;

■выбор размеров и конфигурации модельной трещины;

■построение расчетной (конечно-элементной) области, моделирующей трещину и прилегающую к ней часть конструкции;

■решение краевой задачи о напряженно-деформированном состоянии в окрестности трещины с нагрузками на границах в виде макронапряжений;

■определение параметров трещиностойкости.

На заключительном этапе проводится сопоставление рассчитанных в модельной задаче параметров трещиностойкости с соответствующими экспериментальными данными. В качестве характеристик трещиностойкости обычно исследуются следующие параметры: коэффициенты интенсивности напряжений (КИН) связанные с тремя основными типами нагружения (KJt KJJt Кш). Учитывая, что сдвиговые напряжения в конструкции существенно ниже мембранных напряжений, ограничимся численным моделированием поведения области в окрестности трещины нормального отрыва. Для анализа выделяются четыре зоны сварных швов с наибольшим уровнем мембранных напряжений. Рассматриваются два вида ориентации трещины: вдоль образующей оболочечной конструкции и в окружном направлении.

При моделировании раскрытия трещины конечной длины вокруг нее «вырезается» область произвольной формы, размеры которой подбираются таким образом, чтобы вблизи границ области напряженное состояние было однородным. Это означает, что границы области должны быть настолько удалены от вершины трещины, чтобы сингулярность напряжений в ее окрестности не сказывалась на напряженном состоянии в удаленных от вершины трещины зонах области. Решение краевой задачи механики деформирования и разрушения осуществлялось методом конечных элементов на основе плоского (в силу малой кривизны локальной области) треугольного шестиузлового конечного элемента с использованием его сингулярной модификации в вершине трещины. Практический интерес с точки зрения методов неразрушающего контроля представляют значения пороговой и критической длины трещины. Для их определения строятся зависимости КИН от длины трещины заданной ориентации в конкретной точке конструкции. При построении этих зависимостей решается ряд краевых задач по расчету КИН для нескольких дискретных значений длины трещины в предполагаемом диапазоне длин с последующей аппроксимацией.

В результате численного моделирования показано, что значение КИН существенно зависит как от местоположения, так и от ориентации трещины нормального отрыва. Выявлены наиболее опасные с точки зрения трещиностойкости зоны сварных швов конструкции и сформулированы рекомендации для контрольных мероприятий.