Разработка методики расчета на устойчивость сварного лейнера в металлокомпозитном баллоне давления для космической техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат наук Егоров, Антон Витальевич

• Егоров, Антон Витальевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Егоров, Антон Витальевич

Оглавление

Введение

1. Конструктивно-технологические особенности металлокомпозитных баллонов высокого давления

1.1. Требования к баллонам высокого давления космической техники

1.2. Технологические отклонения. Схематизация

1.3. Обзор работ по расчету металлокомпозитных баллонов высокого давления

1.4. Постановка задачи

2. Выбор и обоснование расчетной схемы металлокомпозитных баллонов высокого давления

2.1. Расчет осесимметричного МК БВД с двухсторонней связью методом конечных элементов в программном комплексе MSC.Patran/Nastran

2.2. Схематизация свойств материала лейнера

2.3. Механика процесса потери устойчивости лейнера

2.4. Расчетная модель

3. Конечно-элементный анализ устойчивости стального лейнера в жесткой обойме

3.1. Методика расчета на устойчивость лейнера

3.2. Анализ деформирования цилиндрического лейнера в жесткой обойме с применением объемных конечных элементов

в программном комплексе LS-DYNA

3.3. Расчет при опрессовке лейнера в процессе его нагрева в жесткой обойме

3.4. Расчет при опрессовке лейнера охлаждаемой обоймой

4. Исследование устойчивости сварного алюминиевого лейнера в цилиндрическом металлокомпозитном баллоне высокого давления

4.1. Формирование сварного шва лейнера сваркой трением

диском

4.2. Анализ деформирования сварного лейнера в композитной оболочке с применением объемных конечных элементов в программном комплексе LS-DYNA

4.3. Расчет при давлении опрессовки. Температурная аналогия

4.4. Расчет при нагрузке и после разгрузки с учетом эффекта

днищ

Выводы

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики расчета на устойчивость сварного лейнера в металлокомпозитном баллоне давления для космической техники»

Введение

Среди известных конструкций баллонов высокого давления (БВД) — в космической технике (КТ), для хранения инертных газов — нашли применение металлокомпозитные баллоны высокого давления (МК БВД) как баллоны, обладающие на сегодня наибольшим коэффициентом весовой эффективности — важнейшим показателем для ракетно-космической техники.

Успешная эксплуатация данных баллонов возможна при правильном их проектировании, конструировании и изготовлении. Накопленный опыт показал, что к рациональным конструкциям МК БВД можно отнести баллоны с алюминиевым сварным лейнером и намотанной на него углепластиковой оболочкой. Такие баллоны способны выдерживать высокие статические и малоцикловые нагружения внутренним давлением, если они оптимально спроектированы и качественно изготовлены. По расчету и технологии изготовления МК БВД существует много теоретических и экспериментальных исследований, включая практические рекомендации по производству. Однако до сих пор не решены вопросы устойчивости лейнера в процессе производства МК БВД, испытаний и последующей эксплуатации. Поэтому задача о деформировании металлического сварного лейнера в составе МК БВД для КТ является актуальной.

Цель работы — повышение надёжности металлокомпозитных баллонов высокого давления для космической техники за счёт определения условий устойчивости лейнера при наличии производственных конструктивно-технологических отклонений.

Задачи исследования:

1. Определить напряженно-деформированное состояние МК БВД при двусторонней связи лейнера и композитной оболочки (КМО) с учетом пластических свойств лейнера и анизотропии материала КМО.

2. Разработать методику численного анализа устойчивости лейнера внутри КМО при начальных несовершенствах в виде технологических отклонений — местных изменений толщин лейнера и КМО.

3. Применить объемные конечные элементы (КЭ) в программном комплексе LS-DYNA для расчета на устойчивость однородного лейнера, окруженного жесткой изотропной обоймой, при температурном прессовом нагружении.

4. Применить объемные КЭ в программном комплексе LS-DYNA для расчета на устойчивость сварного лейнера внутри многослойной композитной оболочки при нагрузке баллона внутренним давлением с последующей разгрузкой и дополнительной опрессовкой.

5. Экспериментально исследовать возможность получения полноразмерного сварного шва в соединении тонких алюминиевых листов методом СТД (сварка трением с помощью дискового инструмента).

6. Провести анализ устойчивости сварного лейнера в МК БВД при прессовом нагружении и при нагрузке—разгрузке.

Объект, предмет и методы исследования. Объектом исследования является цилиндрический МК БВД с алюминиевым сварным лейнером и многослойной (композитной) оболочкой для КТ. Предмет исследования — напряженно-деформированное состояние МК БВД, включая анализ поведения конструкции под нагрузкой. При решении поставленной задачи были использованы: теория тонкостенных оболочек, теория деформируемого твердого тела, механика композитных конструкций, метод конечных элементов, методы компьютерного моделирования в программных комплексах — SoHdWorks, Patran/Nastran, Femap/Nastran, LS-DYNA.

Научная новизна работы заключается в применении объемной конечно-элементной модели лейнера и КМО в программном комплексе LS-DYNA (динамическая постановка), позволяющей определять трехмерное напряженно-деформированное состояние, рассматривать процесс деформирования лейнера в режиме текущего времени, учитывать

технологические отклонения, возникающие при изготовлении лейнера и композитной оболочки.

Основные научные результаты состоят в следующем.

1. Разработана и научно обоснована расчетная модель упругопластического деформирования лейнера в центральной проблемной зоне цилиндрического МК БВД.

2. Дана методика приближенной оценки по арочной схеме устойчивости цилиндрического лейнера при опрессовке в жесткой обойме.

3. При конечно-элементном расчете в программном комплексе ЬБ-БУКЛ процесса деформирования лейнера, окруженного КМО, в качестве начальных несовершенств предложено выбирать технологические отклонения в виде локальных (местных) вырезов и выступов в лейнере и КМО.

4. Осуществлено объемное конечно-элементное моделирование в программном комплексе ЬБ-ОУКЛ цилиндрической части МК БВД с односторонней связью лейнера и КМО, отражающее трехмерное напряженно-деформированное состояние, изменение его в режиме текущего времени, начальные несовершенства конструкции.

5. Показана потеря устойчивости лейнера в составе МК БВД с позиций непрерывного деформирования с учетом неоднородных и анизотропных свойств конструкции и эффекта днищ.

6. Экспериментально установлена возможность получения полноразмерного сварного шва в тонких алюминиевых листах методом СТД.

Практическая значимость работы определяется предложенной методикой расчета на устойчивость сварного лейнера при намотке на него композитной оболочки и при нагрузке—разгрузке МК БВД во время испытаний и эксплуатации; возможностью использования при проектировании баллонов результатов исследования деформированного

состояния МК БВД с учетом неоднородных и анизотропных свойств конструкции; программами компьютерного расчета устойчивости лейнера. Экспериментально установлено получение полноразмерного шва алюминиевых листов при СТД.

Положения, выносимые на защиту.

1. Расчетная модель деформирования лейнера в составе МК БВД.

2. Методика расчета на устойчивость цилиндрического лейнера в КМО и в жесткой обойме.

3. Расчетная схема деформирования лейнера внутри жесткой обоймы на базе объемных конечных элементов в программном комплексе LS-DYNA.

4. Расчетная схема деформирования неоднородного лейнера внутри анизотропной неоднородной КМО на основе объемных конечных элементов в программном комплексе LS-DYNA.

5. Результаты численного анализа устойчивости лейнера в МК БВД.

6. Возможность получения полноразмерного сварного шва в тонких листах при СТД.

Достоверность положений и выводов, приведенных в диссертации, обосновывается применением математических моделей, основанных на классических соотношениях теории упругости и пластичности, механике композитных конструкций, согласованностью результатов расчетов с данными экспериментов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях [1-4, 20-22]:

Всероссийская научно-техническая конференция «Механика и математическое моделирование в технике», посвященная 100-летию со дня рождения Героя Социалистического труда, лауреата Ленинской и Государственной премий СССР, члена-корреспондента АН СССР, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук Всеволода Ивановича Феодосьева. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016;

14-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2015», Москва, МАИ, 16-20 ноября 2015 г.;

Всероссийская научная конференция «Механика композитных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред». Москва, ИПРИМ РАН, 15-17 декабря 2015 г.;

Общеуниверситетская научно-техническая конференция

«Студенческая научная весна-2014». Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1-30 апреля 2014 г.;

12-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2013». Москва, МАИ, 12-15 ноября 2013 г.;

XVIII Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2013), 22-31 мая 2013 г., Алушта;

33-я ежегодная научно-практическая конференция «Композиционные материалы в промышленности (Славполиком-2013)», 27-31 мая 2013 г., Ялта.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, из них 5 печатных работ в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ. Получено 3 патента на изобретения.

Личное участие. Ряд публикаций выполнены автором самостоятельно; в совместных публикациях автору принадлежит 80 % участия; в патентах участие автора составляет 35 %.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов (заключения), списка использованной литературы, включающего 102 наименования научных трудов на русском и иностранных языках. Работа изложена на 114 страницах, содержит 71 иллюстрацию и 5 таблиц.

1. Конструктивно-технологические особенности металлокомпозитных баллонов высокого давления

1.1. Требования к баллонам высокого давления космической техники

Отличительные особенности МК БВД для КТ продиктованы специфичными условиями установки баллонов на борту космического аппарата (КА).

По требованию компактного размещения на борту КА размеры БВД не могут быть значительными, они должны увязываться с основной конструкцией КА. Поэтому, например, на разгонном блоке «Бриз-М» установлено пять БВД, каждый по 36 литров. Таким образом, целесообразным объемом БВД для КТ может считаться объем >36 литров.

Наиболее удобной формой для крепления БВД на борту КА является цилиндрическая. Поэтому МК БВД для КТ изготавливают в форме короткого цилиндра ( 1Ц = 20 0 мм, ЯЦ = 1 8 2 мм) с эллипсоидными днищами. Форма днищ и оптимальная структура композиционного материала устанавливаются из специальных проектировочных расчетов [34].

Главным показателем совершенства конструкции космического назначения является минимальная масса. Отсюда вытекает требование к БВД КТ: они должны иметь минимально возможную массу. Достигается это применением в БВД двухслойной металлокомпозитной стенки. Толщина внутренней металлической оболочки должна обеспечивать надежную газонепроницаемость баллона и формообразование КМО, а толщина и структура наружной композитной оболочки (КМО) — высокую несущую способность.

Рабочее давление для БВД КТ составляет 33 МПа [34]. Тогда с учетом требований котлонадзора разрушающее давление должно быть 78 МПа. Амплитуду циклического давления при испытаниях принимают равной 55 МПа.

Важным условием изготовления лейнера является достижение постоянства толщины стенки лейнера, что необходимо для снижения массы БВД. Одним из путей приближения к решению такой задачи является холодная штамповка из листа двух полуцилиндров [12], которые соединяются затем в центральной части баллона кольцевым сварным швом. Особое значение здесь приобретает качество сварки [12, 34], так как из опыта производства известно, что, например, в МК БВД с алюминиевым лейнером и углепластиковой оболочкой проблемное место — центральная часть цилиндрической части баллона в области кольцевого сварного шва. Применение сварки трением с перемешиванием (СТП) [34, 9] вместо аргонодуговой сварки привело к повышению несущей способности МК БВД за счет снижения дефектов в шве.

Механические характеристики металлов, применяемых для изготовления лейнеров, приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Характеристики металлов, используемых для изготовления лейнера

Характеристика Металл

АМг-6 ВТ1 Х18Н10

Плотность р-106, кг/м3 2,64 4,5 7,8

Модуль упругости, ГПа 71 108 200

Предел прочности, МПа 369 410 620

Условный предел текучести о0,2, МПа 160 330 255

Предельная деформация при растяжении, % 25,1 38 53

Упругая деформация, % 0,34 0,15

Коэффициент линейного температурного расширения а106, 1/°С 24,7 8 16

При изготовлении МК БВД КТ существует сложность намотки на лейнер композитной ленты, обусловленная разными диаметрами полюсных отверстий, которые предназначены для установки переднего (расходного) фланца (меньшего диаметра) и заднего (глухого) фланца, через отверстие

которого извлекается сварочная оснастка. Кроме того, при намотке лейнер может терять устойчивость.

Циклические нагрузки в результате испытаний и эксплуатации создают вероятность отслоения лейнера от композитной оболочки в МК БВД, что относится к недопустимым дефектам изготовления [12] и должно предусматриваться в процессе проектирования и расчета МК БВД КТ.

Итак, параметры оптимально спроектированных МК БВД должны сочетать разнонаправленные требования, а именно: высокую прочность, жесткость, газонепроницаемость с малой массой; конструктивное исполнение с технологичностью конструкции; выбор материалов с условиями эксплуатации.

Перечисленные требования к БВД КТ сведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Требования к МК БВД КТ

Номер п/п Параметр Требование

1. Объем >36 л

2. Форма Короткий цилиндр с эллиптическими днищами

3. Стенка баллона Двухслойная металлокомпозитная

4. Рабочее давление 33 МПа

5. Разрушающее давление 78 МПа

6. Амплитуда циклического давления 55 МПа

7. Газонепроницаемость Надежная

8. Несущая способность Высокая

9. Толщина стенки лейнера Постоянная

10. Диаметры полюсных отверстий Разные

11. Сварные швы лейнера Качественные

12. Потеря устойчивости лейнера при намотке и циклическом нагружении Недопустима

Рис. 1.1. Углепластиковый МК БВД для КТ

Общий вид углепластикового МК БВД КТ приведен на рис. 1.1.

1.2. Технологические отклонения. Схематизация

При производстве надежных БВД КТ предполагается проведение проектировочных и поверочных расчетов с учетом реальных свойств материалов и конструкций. Даже незначительные отклонения свойств от номинальных значений способны привести к снижению несущей способности конструкции. Важное место среди таких отклонений занимают технологические отклонения, связанные с производством, которые трудно контролируемы.

В рассматриваемых МК БВД к технологическим отклонениям следует отнести, в первую очередь, геометрические и механические отклонения, которые переводят лейнер и композитную оболочку в неоднородные, в том числе конструктивно-неоднородные структуры. Если контактная поверхность однородных лейнера и композитной оболочки является

идеальным цилиндром в МК БВД, то при наличии технологических отклонений в лейнере и композитной оболочке будут наблюдаться зазоры различной глубины, длины и расположения. Чтобы оценить их влияние на несущую способность МК БВД, надо знать величины технологических отклонений лейнера и композитной оболочки.

Что касается лейнера, то, как было отмечено в п. 1.1., в нем возможны отклонения по толщине в силу техпроцесса холодной штамповки из листа и в зоне сварного шва, где имеется занижение (на верхней поверхности) и выход (на нижней поверхности) сварного шва.

Известно, что при штамповке из листа точность получения тонкостенной заготовки толщиной И находится в интервале 6-12 квалитета. Для цилиндрического лейнера диаметром 360 мм в МК БВД допуски на толщину лейнера (И = 2,5 мм) составят от 0,05 до 0,5 мм. Таким образом, отклонения толщины в цилиндрической части лейнера могут достигать 20 %. Размеры площадок утонения или утолщения лейнера можно установить прямыми измерениями или вероятностными методами на основе набранной статистики измерений.

В данной работе размеры площадок с уменьшенной или увеличенной толщиной лейнера определяются на основе серии расчетов напряженно-деформированного состояния МК БВД и выделения зон с наибольшим влиянием.

К дефектам лейнера относятся промятия [12] материала лейнера по ширине лент армирующего материала, вызванные намоткой неполностью пропитанной лентой и с зазором между лентами. Допустимы промятия [12] при глубине < 0,25 на длине < 205, где 5 — толщина стенки лейнера. Для баллона при 5 = 2,5 мм (как в нашем случае) допустимы промятия глубиной < 0,5 мм на длине 50 мм. На данные значения будут опираться проводимые далее исследования напряженно-деформированного состояния МК БВД, при этом промятия будем задавать в виде вырезов и выступов одинаковой глубины и длины на лейнере (рис. 1.2).

У

х

Рис. 1.2. Схематизация технологических отклонений: ф1 — выступ в лейнере; ф2 — вырез в лейнере; ф3 — вырез в обойме (КМО)

В качестве дефектов лейнера может быть вспучивание [12] лейнера при локальном ударе баллона, происходящее под воздействием ударной волны на композитной оболочке, в которой возникают большие прогибы, отражающиеся на лейнере.

Промятия и вспучивание, при определенных их размерах и расположении, могут стать инициаторами локальной потери устойчивости лейнера, окруженного композитной оболочкой, что относится к недопустимым дефектам МК БВД [12]. В этой же работе отмечается, что потеря устойчивости лейнера при нагружении испытательным давлением происходит с появлением больших пластических деформаций в материале лейнера, что также недопустимо.

Дефекты композитной оболочки включают [12] локальные раковины или наплывы смолы, растрескивание композитного материала вдоль волокон армирующего материала, повреждения от удара.

Локальные раковины или наплывы смолы допускаются [12] на площади < 0,01^, где ^ — площадь наружной поверхности баллона. Из данного неравенства можно установить допустимую длину отслоения композитной оболочки от лейнера. Зону наплыва связующего, учитывая малость его механических характеристик по сравнению с армирующим материалом, можно считать, в первом приближении, как свободный объем, в который может «заходить» лейнер при деформировании.

Растрескивание композитного материала допустимо [12], если оно распространяется на площади < 0,3^.

Повреждение от удара допустимо [12] на цилиндрической части баллона при расслоении волокон без разрыва на площади < 0,01^. Если

0,00 5 < — < 0, 0 1 , то дефект недопустим. Здесь Е — энергия разрушения;

р — давление разрушения; V — объем баллона.

Знание площадей дефектов в композитной цилиндрической оболочке позволяет находить их размеры в плане и задавать в конструкции МК БВД как вырезы в композитной оболочке (см. рис. 1.2) определенных размеров при фиксированной длине оболочки.

В целях удобства численного решения задачи об устойчивости лейнера в МК БВД, не теряя общности рассуждений, соберем технологические отклонения лейнера и композитной оболочки (вырезы и выступы) в верхней части баллона (см. рис. 1.2). Различные длины вырезов и выступов логично задавать по секторам с различными центральными углами сохраняя симметрию относительно вертикальной плоскости, включающей ось баллона.

Рассмотренные технологические отклонения в виде вырезов и выступов в лейнере и композитной оболочке будем относить к начальным несовершенствам конструкции МК БВД при численном решении задачи об устойчивости цилиндрического лейнера, ограниченного снаружи композитной оболочкой (обоймой).

1.3. Обзор литературы по расчету металлокомпозитных баллонов

высокого давления

БВД относятся к классу тонкостенных емкостных конструкций, которые применяются во многих областях техники. В авиационной и ракетно-космической технике к БВД предъявляются повышенные требования (см. п. 1.1) по несущей способности и весовой эффективности. Этим и продиктовано развитие расчетных схем для емкостных тонкостенных сосудов, в первую очередь, применительно к конструкциям авиационной [37] и ракетно-космической техники [8].

Здесь начали внедряться композитные конструкции, в связи с чем появились фундаментальные исследования по оптимальному проектированию оболочек вращения [37], справочные данные по баллонам давления из композитов [11]. Для воздушных судов гражданской авиации предлагается применять сверхлегкие металлокомпозитные баллоны высокого давления под кислород [13, 29, 44, 45], проводятся экспериментальные исследования [30]. В работе [51] обосновывается выбор конструкции и материала для МК БВД. Для ракетно-космической техники разрабатываются высокоэффективные композитные баллоны давления с гранульным титановым лейнером [39], композитные баллоны для разгонного блока «Фрегат» [40]. Уточняются аналитические методы расчета силовой композитной оболочки баллона давления [43]. Большое внимание сегодня уделяется экспериментальным исследованиям по отработке конструкции МК БВД [34], классическим [10] и новым методам намотки [15, 17]. В ряде статей [7, 32, 33] рассматриваются вопросы проектирования, расчетов, анализа конструкций и напряженно-деформированного состояния МК БВД. Отметим, что высокая энергоэффективность МК БВД существенно расширяет область их применения, например, для хранения газообразного водорода в наземных транспортных системах [87, 102]. Основными требованиями к проектированию здесь является безопасность, надежность и экономичность. Поэтому проектный анализ напряженно-деформированного

состояния ведется подробно с применением метода конечных элементов (МКЭ) [85, 89]. Согласование результатов расчета по МКЭ с экспериментальными исследованиями показано в работах [82, 90]. Представляют практический интерес и аналитические методы расчета баллонов высокого давления [31].

К значимым публикациям следует отнести книгу В.В. Васильева [97] и книгу В.В. Васильева и Н.Г. Мороза [12], в которых собраны оригинальные разработки авторов и обобщающие сведения по проектированию и изготовлению МК БВД.

Несущая способность БВД определяется прочностью, жесткостью, стабильностью геометрических и механических свойств, отлаженным технологическим процессом производства, включая испытания и контроль. Если для металлических баллонов эти вопросы достаточно хорошо изучены, то для двухслойных металлокомпозитных баллонов, несмотря на их успешную эксплуатацию, еще существуют проблемы. Одной из основных незавершенных проблем остается устойчивость лейнера в МК БВД, связанная с циклическими нагружениями баллона при испытаниях и эксплуатации и с намоткой на лейнер композитной оболочки в процессе производства.

Металлический лейнер в цилиндрическом МК БВД относится к оболочечным конструкциям, так как имеет характерные для них размеры, а

именно ^ = 1 0 0-3 0 0, где D — диаметр цилиндра; h — толщина лейнера.

В научной литературе вопросам расчета на устойчивость оболочек всегда уделялось большое внимание в силу того, что оболочечные конструкции широко представлены во многих областях техники. Наиболее значительные результаты по устойчивости оболочек получены Н.А. Алфутовым [5], А.С. Вольмиром [14], Э.И. Григолюком [16], С.П. Тимошенко [50]. Полный перечень научных трудов с указанием авторов и решаемых задач приведен в работе [16]. Появляются и новые взгляды на

проблемы устойчивости оболочек [38]. Следует отметить, что по большей части исследуются на устойчивость свободные оболочки, нагруженные внешними силами.

Однако существует целый ряд конструкций, где тонкостенные оболочки помещены во внешнюю ограничивающую среду, что при нагружении ведет к одностороннему их деформированию и внутреннему локальному изгибу (рис. 1.3) — внутреннему выпучиванию. Для надежной работы подобных ограниченных оболочек, например, лейнеров в металлокомпозитных баллонах или трубопроводов, недопустима локальная потеря устойчивости. Поэтому в области расчета на устойчивость оболочек появилось направление устойчивости колец и оболочек, в первую очередь цилиндрических, окруженных жесткой или деформируемой средой. В этом направлении известны работы В.И. Феодосьева, В.В. Васильева, D. Glock, D.O. Brush, B.O. Almroth, K. El-Sawy, I.D. Moore, R. Montel, C.F. Estrada, S.A. Karamanos, D. Vasilikis и других авторов.

Рис. 1.3. Начальная неправильность формы с амплитудой 50

Особенность таких задач состоит в том, что критическая нагрузка локальной потери устойчивости жестко ограниченных колец [52]

2,2

цкр = 0 , 6 5 ' (1.1)

существенно выше, чем критическая нагрузка свободных колец [52], нагруженных внешним давлением,

з

Ц кр = 0 , 2 5 £*(£) . (1.2)

В уравнениях (1.1) и (1.2) обозначено: Е — модуль упругости кольца; Ь, И, Я — ширина, толщина и радиус кольца соответственно.

Применительно к цилиндрическим оболочкам уравнения (1.1) и (1.2) переписываются в виде [60, 78]:

= гЯЮ 2'2 - (13)

Р> = ^ (14)

где р с 1 и ру — критическое давление ограниченного цилиндра по Глоку и упругого свободного цилиндра; V — коэффициент Пуассона цилиндра; Б — диаметр цилиндра.

В практических задачах между цилиндром и жесткой полостью может иметь место начальный зазор g (рис. 1.4) при свободной установке цилиндра или начальная неправильность формы (см. рис. 1.3) в виде локальной внутренней деформации с амплитудой б 0 (начальная овальность). Эти начальные несовершенства вошли в эмпирическое выражение [71]

р = _2!_ нз ( 2 5+700^+3 1 5д ^ (1 5)

рЕ М 1 _у 2 5 у о - 1 5 + 1 3 0 ^ + 140 0+ 1 4 5 д / - ( . )

и в полуэмпирическую формулу [88]

Рм = ТБй-1-. (1.6)

(£) [1 + 1,2(60+2 д)/Н]

Здесь рЕм, рм — предельное давление по [71] и [88] соответственно;

и ь _ д

"д — ^ > 9 — ^; ат — предел текучести материала цилиндра.

9

Рис. 1.4. Начальный зазор g

В работе [98] в соответствии с теорией тонкостенных сосудов и критерия пластичности Мизеса при плоской деформации поперечного сечения получена формула для пластического давления

При давлении происходит переход всего материала цилиндрической оболочки в пластическое состояние. Разделив уравнения (1.6) и (1.7), учтя

тонкостенность цилиндра — 1 0 0-3 00^ и идеальность его формы

( ^ о — 9 — 0 ) , а также приняв V = 0,3, получим

НМ — 6, 2 4® °'5. (1.8)

Отсюда следует, что предельное давление рм (1.6) выпучивания цилиндра, встроенного в жесткую полость, значительно ниже пластического давления

Подробную информацию о публикациях по устойчивости стесненных цилиндрических оболочек, включающую аналитические, экспериментальные и численные методы анализа, можно найти в работе [98]. Отметим только, что в современных трудах задачи устойчивости цилиндрических оболочек в ограничивающих средах решаются с применением компьютерных программ. В решениях учитываются начальные несовершенства конструкций, неоднородные свойства материалов в упругой и пластической областях, а также более сложные (по сравнению с равномерным давлением) внешние нагрузки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Егоров, Антон Витальевич, 2017 год

Литература

1. Азаров А.В., Егоров А.В. Компьютерная программа нелинейного расчета цилиндрического металлокомпозитного баллона высокого давления // Общеуниверситетская научно-техническая конференция «Студенческая научная весна-2014», 1-30 апреля 2014 г. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.

2. Азаров А.В., Егоров А.В. Учёт нелинейных свойств лейнера в проектировочном расчёте металлокомпозитного баллона высокого давления // Тр. 12-й Междунар. конф. «Авиация и космонавтика-2013», 12-15 ноября 2013 г. М.: МАИ, 2013. С. 185-186.

3. Азаров А.В., Егоров А.В. Расчет напряженно-деформированного состояния лейнера в составе металлокомпозитного баллона высокого давления // Материалы XVIII Междунар. конф. по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМС1111С'2013), 22-31 мая 2013 г., Алушта. М.: Изд-во МАИ, 2013. С. 253-254.

4. Азаров А.В., Егоров А.В. Сравнительный анализ баллонов высокого давления // Тр. 33-й ежегодной научно-практической конф. «Композиционные материалы в промышленности (Славполиком-2013)», 27-31 мая 2013 г., Ялта. Киев: УИЦ «НАУКА. ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИЯ», 2013. CD-диск.

5. Алфутов Н.А. Основы расчета на устойчивость упругих систем. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1991. 336 с.

6. Амосов А.П. Теплофизические модели трения инертных и взрывчатых материалов. М.: Машиностроение, 2011. 363 с.

7. Анализ конструктивных вариантов металлокомпозитных баллонов высокого давления / В.П. Молочев, В.Н. Егоров, А.В. Севальнев, Е.А. Абрамова // Авиационная промышленность. 2012. № 1. С. 42-45.

8. Балабух Л.И., Алфутов Н.А., Усюкин В.И. Строительная механика ракет: учеб. для машиностроит. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1984. 391 с.

9. Бахвалов Ю.О., Молочев В.П., Половцев В.А. Внедрение технологии фрикционной сварки конструкций из алюминиевых сплавов взамен сварки плавлением // Общероссийский научно-технический журнал «Полет». 2011. Юбилейный вып. (КБ «Салют»). С. 132-135.

10. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 516 с.

11. Бунаков В.А., Протасов В.Д. Баллоны давления из композитов // Композиционные материалы: Справочник / под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. С. 351-376.

12. Васильев В.В., Мороз Н.Г. Композитные баллоны давления. Проектирование, расчет, изготовление и испытания: справ. пособие. М.: Машиностроение; Инновационное машиностроение, 2015. 373 с.

13. Возможность и эффективность использования отечественных металлокомпозитных баллонов высокого давления в составе бортового оборудования воздушных судов / И.К. Лебедев, К.Н. Лебедев, Н.Г. Мороз, В.В. Никонов, П.В. Обухов, В.С. Шапкин // Научный вестник ГосНИИ ГА. 2016. № 12. С. 81-90.

14. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. М.: Наука. Физматлит, 1967. 984 с.

15. Воробей В.В., Евстратов С.В. Новые направления в современной технологии намотки конструкций из композиционных материалов // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16, № 1. С. 61- 72.

16. Григолюк Э.И., Кабанов В.В. Устойчивость оболочек. М.: Наука, 1978. 360 с.

17. Евстратов С.В. Разработка технологических процессов изготовления сверхлегких комбинированных металлокомпозитных баллонов давления: дис. ... канд. техн. наук. М.: МАИ, 2015. 151 с.

18. Егоров А.В. Устойчивость цилиндрических оболочек в жесткой среде // Инженерный журнал: наука и инновации. 2017. Вып. 9. DOI 10.18698/2308-6033-2017-9-1670

19. Егоров А.В. К оценке устойчивости лейнера в металлокомпозитном баллоне высокого давления // Авиационная промышленность. 2016. № 1. С. 38-41.

20. Егоров А.В. Критериальный выбор баллонов высокого давления для космических аппаратов // Всероссийская научно-техническая конференция «Механика и математическое моделирование в технике», посвященная 100-летию со дня рождения Героя Социалистического труда, лауреата Ленинской и Государственной премий СССР, члена-корреспондента АН СССР, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук Всеволода Ивановича Феодосьева: сборник тезисов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. С. 305-308.

21. Егоров А.В. Устойчивость лейнера в металлокомпозитных баллонах высокого давления для космических аппаратов // Тр. 14-й Междунар. конф. «Авиация и космонавтика-2015», 16-20 ноября 2015 г. М.: МАИ, 2015. С. 407-408.

22. Егоров А.В. Особенности моделирования металлокомпозитных баллонов высокого давления // Механика композитных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред: сб. материалов Всероссийской научной конференции. Москва, 15-17 декабря 2015 г. М.: ИПРИМ РАН, 2015. С. 111-113.

23. Егоров А.В., Азаров А.В. Методика проектировочного расчета металлокомпозитного баллона высокого давления // Авиационная промышленность. 2015. № 2. С. 31-35.

24. Егоров А.В., Азаров А.В. Численно-аналитический метод расчёта металлокомпозитного баллона высокого давления // Электронный журнал «Труды МАИ». 2014. № 73. URL: http://www.mai.ru/upload/iblock/a26/a260ec4f0a7c88ccca926764ae769619.pdf

25. Егоров А.В., Штрикман М.М., Вермелъ В.Д. Формирование температурного поля при сварке трением дисковым инструментом соединений алюминиевых листов // Авиационная промышленность. 2017. № 3. С. 27-31.

26. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение: итоги и перспективы // Вестник Российской академии наук. 2002. Т. 72, № 1. С. 3-12.

27. Кащук Н.М. Разработка технологии изготовления интегральных конструкций авиационной техники с применением метода комбинированной фрикционной сварки: дис. ... канд. техн. наук. М., 2012. 122 с.

28. Клименко Ю.В. Способ сварки металлов трением. А.с. № 195846 (СССР). Опубл. 04.05.1967. Бюлл. № 10.

29. Лебедев И.К. Высокопрочные облегченные баллоны высокого давления для систем управления и жизнеспособности гражданской авиации // Научный вестник МГТУ ГА. 2008. № 134. С. 76-80.

30. Лебедев К.Н., Лебедев И.К., Мороз Н.Г. Экспериментальные исследования ресурсных характеристик металлокомпозитных баллонов // Научный вестник МГТУ ГА. 2015. № 212 (2). С. 137-142.

31. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2003. 448 с.

32. Молочев В.П. Разработка композитных баллонов давления для космической техники // Механика композиционных материалов и конструкций. 2010. Т. 16, № 4. С. 587-596.

33. Молочев В.П. Расчет металлокомпозитного цилиндрического баллона давления // Вопросы оборонной техники. Сер. 15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. 2010. Вып. 4 (159). С. 9-14.

34. Молочев В.П. Проектирование и экспериментальная отработка композитных баллонов давления для космической техники: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2012. 146 с.

35. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1972. 264 с.

36. Оболенский Е.П., Сахаров Б.И., Сибиряков В.А. Прочность летательных аппаратов и их агрегатов: учеб. для студентов авиационных спец. вузов / под ред. И.Ф. Образцова. М.: Машиностроение, 1995. 504 с.

37. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1977. 144 с.

38. Пикуль В.В. Современное состояние теории устойчивости оболочек // Вестник ДВО РАН. 2008. № 3. С. 3-9.

39. Разработка высокоэффективных композитных баллонов давления с гранульным титановым лейнером для изделий ракетно-космической техники / А.А. Смердов, В.А. Селезнев, С.В. Соколов, А.А. Смердов,

A.И. Логачева, А.Н. Тимофеев, А.В. Логачев // Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 2 (138). С. 15-22.

40. Разработка композитного баллона высокого давления для разгонного блока «Фрегат» / А.А. Моишеев, В.А. Асюшкин, В.М. Цвелев,

B.П. Викуленков, А.А. Смердов, С.В. Цветков, Г.Г. Кулиш // Актуальные вопросы проектирования космиечских систем и комплексов: сб. науч. тр. / под ред. Г.М. Полищука, К.М. Пичхадзе. М.: Изд-во «Блок-Информ-Экспресс», 2015. С. 46-52.

41. Расчетные значения характеристик авиационных металлических конструкционных материалов. Справочник. Вып. 1. М. : ОАК, 2009. 268 с.

42. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: ГНТИ машиностроит. лит-ры, 1951.

43. Сарбаев Б.С. Расчет силовой оболочки композитного баллона давления. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 96 с.

44. Сверхлегкие металлокомпозитные баллоны высокого давления для воздушных судов гражданской авиации / К.Н. Лебедев, И.К. Лебедев, Н.Г. Мороз, В.В. Никонов // Научный вестник ГосНИИ ГА. 2015. № 9.

C. 84-92.

45. Создание высокоэффективного металлокомпозитного баллона высокого давления / А.В. Асюшкин, В.П. Викуленков, К.Н. Лебедев, С.В. Лукьянец, Н.Г. Мороз // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2015. № 1 (27). С. 19-27.

46. Способ комбинированной фрикционной сварки / М.М. Штрикман, О.С. Сироткин, В.Н. Мацнев, Н.М. Кащук // Патент РФ № 2460617. Опубл. 10.09.2012. Бюл. № 25.

47. Способ фрикционной сварки вращающимся диском / Н.М. Кащук, М.М. Штрикман, В.Н. Егоров, А.В. Егоров // Патент РФ № 2496621. Опубл. 27.10. 2013. Бюл. № 30.

48. Строительная механика летательных аппаратов: учебник для авиационных специальностей вузов / И.Ф. Образцов, Л.А. Булычев, В.В. Васильев и др.; под ред. И.Ф. Образцова. М.: Машиностроение, 1986. 536 с.

49. Технологические возможности снижения пористости шва при аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов / М.М. Штрикман, А.В. Пинский, А.А. Филатов, В.В. Кошкин, Е.А. Мезенцева, Н.В. Гук // Сварочное производство. 2009. № 12. С. 16-22.

50. Тимошенко С.П. Устойчивость стержней, пластин и оболочек. М.: Наука, 1971. 808 с.

51. Трутнев Н.С., Шишкин А.А., Филимонова Т.В. Обоснование выбора конструкции и материала облегченного металлокомпозитного баллона высокого давления для авиационной промышленности // Наукоемкие технологии. 2016. № 6. С. 57-64.

52. Феодосъев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. 4-е изд. М.: Наука, 1973. 400 с.

53. Фрикционная сварка алюминиевых лейнеров металлокомпозитных баллонов высокого давления / В.А. Половцев, Н.В. Макаров, Г.В. Шилло, А.В. Сабанцев, Т.Н. Смирнова, М.М. Штрикман // Сварочное производство. 2007. № 12. С. 24-27.

54. Чумадин А.С., Ершов В.И., Шишкин А.А. Механизм потери устойчивости при обжиме кольца // Науч. тр. МАТИ. 2010. Вып. 17 (89). С. 182-186.

55. Штрикман М.М., Егоров А.В. Соединение листовых деталей из металлокомпозитных материалов и способ его изготовления. Патент RU 2548435. Опубл. 20.04.2015. Бюл. № 11.

56. Штрикман М.М., Егоров А.В. Соединение слоистых металлокомпозитных листов (деталей) и способ его выполнения. Патент RU № 2579714. Опубл. 10.04.2016. Бюл. № 10.

57. Штрикман М.М., Кащук Н.М. Исследование технологических параметров фрикционной сварки дисковым инструментом // Сварочное производство. 2012. № 12. С. 14-17.

58. Boot J.C. Elastic Buckling of Cylindrical Pipe Linings with Small Imperfections Subject to External Pressure // Tunnel. Undergr. Sp. Tech. 1997. 12 (Suppl. 1). P. 3-15.

59. Bradford M.A., Roufegarinejad A. Elastic local buckling of thin-walled elliptical tubes containing elastic infill material // Interaction and Multiscale Mechanics. 2007. Vol. 1, no. 1. P. 143-156.

60. Brush D.O., Almroth B.O. Buckling of Bars, Plates, and Shells. New York: McGraw-Hill, 1975.

61. Buckling Models of Thin Circular Pipes Encased in Rigid Cavity / A.M. Omara, L.K. Guice, W.T. Straughan, F.A. Akl // J. Eng. Mech. 1997. 123 (12). P. 1294-1301.

62. Christner В., McCoury J., Higgins S. Development and Testing of Friction Stir Welding as a Joining Method for Primary Aircraft Structures // Proceedings of the 4th International Symposium on FSW. Utah (USA). 2003.

63. Colligan K.J. Low-cost Friction Stir Welding of Aluminium for Littoral Combat Ship Applications // Proceedings of the 8th International FSW Symp. Lübeck, Germany, 18-20 May 2010. CD-ROM.

64. Comité Europén de Normalization (2007). Strength and Stability of Shell Structures. EN 1993-1-6. Eurocode 3, part 1-6. Brussels, Belgium.

65. Cryogenic Tank Structure Sizing with Structural Optimization Method / J.T. Wang, T.F. Johnson, D.W. Sleight, E. Saether. // AIAA-2001-1599. 14 p.

66. Development and Flight Test of Metal-lined CFRP Cryogenic Tank for Reusable Rocket / K. Higuchi, Sh. Takeuchi, E. Sato, Y. Watabe, et al. // Acta Astronautica. 2005. Vol. 57. P. 432-437. DOI: 10.1016/j.actaastro.2005.03.059

67. Elder D., Thomson R. Probabilistic Assessment of a Stiffened Carbon Fibre Composite Panel Operating in its Postbuckled Region // 6th European LS-DYNA Users' Conference. Gothenburg, 2007. URL: http://www.dynalook.com/european-conf-2007/probabilistic-assessment-of-a-stiffened-carbon.pdf (дата обращения 11.08.2017).

68. El-Sawy K. Inelastic Stability of Liners of Cylindrical Conduits with Local Imperfection under External Pressure // Tunnel. Undergr. Sp. Tech. 2013. No. 33. P. 98-110. DOI: 10.1016/j.tust.2012.09.004

69. El-Sawy K. Inelastic Stability of Tightly Fitted Cylindrical Liners Subjected to External Uniform Pressure // Thin Wall. Struct. 2001. No. 39 (9). P. 731-744.

70. El-Sawy K. Inelastic Stability of Loosely Fitted Cylindrical Liners // J. Struct. Eng. 2002. 128 (7). P. 934-941.

71. El-Sawy K., Moore I.D. Stability of Loosely Fitted Liners Used to Rehabilitate Rigid Pipes // J. Struct. Eng. 1998. 124 (11). P. 1350-1357.

72. Estrada C.F., Godoy L.A., Flores F.G. Buckling of Vertical Sandwich Cylinders Embedded in Soil // Thin Wall. Struct. 2012. No. 61. P. 188-195. http://dx.doi.org/10.1016/j.tws.2012.05.010

73. European Convention for Constructional Steelwork (2008). Buckling of Steel Shells. European Design Recommendations. 5th ed. / J.M. Rotter, H. Schmidt, eds. Brussels, Belgium, ECCS Publication No. 125.

74. Fan Ye. Local Buckling Analysis of Thin-Wall Shell Structures. Master Thesis Project. Delft University of Technology. 2015.

75. Finite element analysis of composite high-pressure hydrogen storage vessels / J. Marzbanrad, A. Paykani, A. Afkar, M. Ghajar // J. Mater. Environ. Sci. 2013. No. 4 (1). P. 63-74.

76. Finite element modeling and buckling analysis of COPV / F.Q. Yang, T.P. Zhang, Z.D. Liu, X.Y. Wang // Vacuum and Cryogenics. 11 (2005) 40.

77. Friction Stir Butt Welding [Сварка трением с перемешиванием]: Patent PCT/GB92/02203, 1992 (Великобритания) / W.M. Thomas, E.D. Nicholas, J.C. Needham, M.G. Murch, P. Temple-Smith, C.J. Dawes.

78. Glock D. Überkritisches Verhalten eines Starr Ummantelten Kreisrohres bei Wasserdrunck von Aussen und Temperaturerhöhung [Post-critical behavior of a rigidly encased circular pipe subject to external water pressure and thermal rise] // Der Stahlbau. 1977. Bd. 46, No. 7. S. 212-217.

79. Hibbit H.D., Karlsson B.I., Sorensen P. Theory Manual. Version 6.7. ABAQUS, Providence, RI. 2007.

80. Jeyapalan J.K., Watkins R.K. Modulus of Soil Reaction (E') Values for Pipeline Design // ASCE J. Transp. Eng. 2004. Vol. 130, no. 1. P. 43-48.

81. Katifori E., Alben S., Nelson D.R. Collapse and folding of pressurized rings in two dimensions // Physical review E. 2009. Vol. 79, iss. 5.

82. Koppert J.J.M, De Boer H., Weustink A.P.D., Beukers A., Bersee H.E.N. Virtual testing of dry filament wound thick walled pressure vessels. 16th International Conference on Composite Materials (ICCM-16), Kyoto, Japan. 2007.

83. Kyriakides S., Corona E. Mechanics of Offshore Pipelines: Vol. 1. Buckling and Collapse. Burlington. ELSEVIER. 2007.

84. Li F.S., Kyriakides S. On the Response and Stability of Two Concentric, Contracting Rings under External Pressure // Int. J. Solid. Struct. 1991. 27 (1). P. 1-14.

85. Liu P.F., Chu J.K., Hou S.J., Xu P., Zheng J.Y. Numerical simulation and optimal design for composite highpressure hydrogen storage vessel: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. No. 16. 1817.

86. Manga H.A., Pavliceka S., Jiab X. The buckling sphere: a symbiosis of mechanics and geometry // Computer Methods in applied mechanics and engineering. 2016. No. 309. P. 325-363.

87. Marzbanrad J., Paykani A., Afkar A., Ghajar M. Finite element analysis of composite high-pressure hydrogen storage vessels // J. Mater. Environ. Sci. 2013. 4 (1). P. 63-74.

88. Montel R. Formule Semi-Empirique pour la Détermination de la Pression Extérieure Limite d'Instabilité des Conduits Métalliques Lisses Noyées dans du Béton // La Houille Blanche. 1960, 15 (5). P. 560-568.

89. Nunes P.J., Velosa J.C., Antunes P.J., Silva J.F., Marques A.T. Studying the production of filament wound composite pressure vessels. 16th International Conference on Composite Materials (ICCM-16), Kyoto, Japan. 2007.

90. Onder A., Sayman O., Dogan T.., Tarakcioglu N. Burst failure load of composite pressure vessels. Composite structures. 2009. No. 89. 159.

91. Optimal Design of Filament Wound Type 3 Tanks under Internal Pressure Using a Modified Genetic Algorithm / C.-U. Kim, C.-S. Hong, C.-G. Kim, et al. // Composite Structures. 2005. Vol. 71. P. 16-25.

92. Properties of Friction Stir Welds for Cryogenic Tanks of Space Launchers // N. Eigen, M. Kahnert, H. Masny, et al. // Proceedings of the 8th International FSW Symp. Lübeck, Germany, 18-20 May 2010. CD-ROM.

93. Reliable FSW of Copper Canisters Using Improved Process and Regulator Controlling Power Input and Tool Temperature / L. Cederquist, A.P. Reynolds, C.D. Sorenson, O. Garpinger // Proceedings of the 8th International FSW Symp. Lübeck, Germany, 18-20 May 2010. CD-ROM.

94. Silveira R.A.M., Nogueira C.L., Gonzalves P.B. A numerical approach for equilibrium and stability analysis of slender arches and rings under contact constraints // International Journal of Solids and Structures. 2013. No. 50. P. 147-159.

95. Sun C., Shaw W.J.D., Vinogradov A.M. Instability of Confined Rings: An Experimental Approach // Exper. Mech. 1995. Vol. 35, no. 2. P. 97-103.

96. Taras A., Greiner R. Zum Gültigkeitsbereich der Bemessungsformeln für Druckschachtpanzerungen unter Außendruck [Scope of the Design Assumption for Pressure Tunnel Steel Linings Under External Pressure] // Der Stahlbau. 2007. 76 (10). S. 730-738.

97. Vasiliev V.V. Composite pressure vessels — Analysis, design and manufacturing. Blacksburg: Bull Ridge Publ., 2009. 704 p.

98. Vasilikis D., Karamanos S.A. Mechanics of Confined Thin-Walled Cylinders Subjected to External Pressure // Applied Mechanics Reviews. ASME. 2014. Vol. 66. Article Number 010801.

99. Vasilikis D., Karamanos S.A. Buckling design of confined steel cylinders under external pressure // Journal of Pressure Vessel Technology. 2010. Vol. 133, no. 1. P. 331-341.

100. Vasilikis D., Karamanos S.A. Stability of Confined Thin-Walled Steel Cylinders under External Pressure // Int. J. Mech. Sci. 2009. 51 (1). P. 21-32.

101. Watkins R.K. Buried Pipe Encased in Concrete // ASCE International Conference on Pipeline Engineering and Construction. San Diego, CA. 2004.

102. Zheng J.Y., Liu X.X., Xu P., Liu P.F., Zhao Y.Z., Yang J. Development of high pressure gaseous hydrogen storage technologies // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. No. 37. 1048.