Разработка методики расчета прочности и несущих конструкций космических аппаратов из композиционных материалов при высокоскоростном ударе
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………. 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
БЕЗОПАСНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В КОСМОСЕ ……………….. 14
1.1. Проблемы защиты летательных аппаратов от космического мусора.14
1.2. Повреждение КА космическим мусором ………………………………………. 20
1.3. Основы проектирования экранных защитных конструкций …………… 26
1.4. Проектирование трансформируемой ловушки из КМ ……………………. 30
1.5. Методы расчета прочности при скоростном нагружении ………………. 32
1.6. Методика достижения поставленной цели диссертации ………………… 43
Выводы по ГЛАВЕ 1 ………………………………………………………………………….. 46
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ
КОНСТРУКЦИИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ …………………….. 47
2.1. Определяющие соотношения ……………………………………………………….. 47
2.2. Закономерность деформирования однонаправленного углепластика 56
2.3. Методика расчета напряженно-деформированного углепластика при
квазистатическом и динамическом нагружении ……………………………………………. 63
Выводы по ГЛАВЕ 2 ………………………………………………………………………….. 74
ГЛАВА 3. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАСЧЕТА
ПРОЧНОСТИ КМ С УЧЕТОМ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ .. 75
3.1. Критерии разрушения композитных материалов …………………………… 75
3.2. Метод расчета прочности КМ при скоростном деформировании …… 84
3.3. Модификационной метод расчета прочности КМ …………………………. 88
3.4. Влияние температуры на прочность ……………………………………………… 95
Стр.
Выводы по ГЛАВЕ 3 ………………………………………………………………………….. 98
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ……………………. 99
4.1. Образцы испытаний …………………………………………………………………….. 99
4.2. Испытательные машины ……………………………………………………………. 101
4.3. Квазистатические и статические испытания ………………………………. 106
4.3.1 Стандарт испытаний …………………………………………………………………. 106
4.3.2 Результаты квазистатических и статических экспериментов ……… 107
4.3.3 Обсуждение по результатам низкоскоростных испытаний ………… 111
4.4. Динамические испытания ………………………………………………………….. 114
4.4.1 Основные положения метода Кольского с разрезным стержнем
Гопкинсона………………………………………………………………………………………………… 114
4.4.2 Динамические эксперименты ……………………………………………………. 120
4.4.3 Обсуждение по результатам динамических испытаний ……………… 124
4.5. Анализ экспериментальных результатов …………………………………….. 125
Выводы по ГЛАВЕ 4 ………………………………………………………………………… 128
ГЛАВА 5 РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИИ КАРКАСА КОНСТРУКЦИИ ……….. 129
5.1. Постановка задачи …………………………………………………………………….. 129
5.2. Выбор материала, используемого для каркаса конструкции ……….. 134
5.3. Методика моделирования высокоскоростного воздействия …………. 137
5.4. Моделирование высокоскоростного удара …………………………………. 140
Выводы по ГЛАВЕ 5 ………………………………………………………………………… 149
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………… 151
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………. 152
Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулированы цели и основные задачи работы, научные результаты, обосно- ваны их достоверность и практическая значимость, приводятся сведения об апробации работы, краткое описание содержания диссертации по главам.
В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы обеспече- ния безопасности летательных аппаратов в космосе при высокоскоростном воз- действии, вызванном столкновениями с космическим мусором. Обоснованы тех- нические требования, предъявляемые к элементу конструкции каркаса защиты КА из углепластика. Приведен обзор и рассмотрены вопросы эксперименталь- ного исследования деформационных и прочностных свойств КМ при квазиста- тическом, статическом и динамическом нагружениях. Приведен анализ законо- мерностей механического поведения углепластиков при высокоскоростном воз- действии с учетом влияния температуры.
Во второй главе рассмотрены основные механические характеристики, определяемые при квазистатическом и
динамическом испытаниях КМ (Рис. 1),
с помощью которых разработана мето-
дика построения определяющих соот- ношений однонаправленного углепла- стика.
Анизотропия упругости однона- правленного материала может быть описана известным соотношением сле- дующего вида:
Рис. 1.
1 = 4+(1 −2 12) 2 2+ 4 (1) 1 12 1 2
где , , , – характеристики упругости слоя, = , = . 1 2 12 12
Модуль упругости в направлении армирования не зависит от времени, а в направлении, перпендикулярном армированию, и при внутрислойном сдвиге со- ответствующие модули могут быть представлены в операторной форме и с ис-
пользованием принципа соответствия Вольтерра 1 = 1 (1 + ∗) выражение (1)
принимает вид:
где ∗ ⋅ = ∫ ( − ) ( ) – наследственный оператор. В качестве ядра
1 41+ ∗2 4
= +( 12 − 12) 2 2 + (1+ ∗), (2)
∗ 0 0 2 1 12 1 2
∗ 0
наследственного оператора выберем слабосингулярное ядро Абеля: ( ) =
, где параметры сингулярности −1 < < 0. На основе анализа опытных Γ(1+ )
данных углепластиков параметр сингулярности ядра принимается равным -0,9. Выражение (2) делится на две части, первая описывает мгновенную составляю-
щую1 = 4+(1 −2 12) 2 2+ 4,авторая-временнуючасть: 1 2 2 ∗ + 0 0 0 0 12
1121 2 12
1 4 ∗ , тогда запишем выражение для операторного модуля упругости: 1 = 0 2 ∗
2
1 + ∗ , где = 12 2 2 + 2 4. Определяющее соотношение представлено сле- 0 0 0
122
дующим образом:
=1(1+ ∗) , (3) 0
= 0. Обращение выполнено с помощью резольвенты оператора Абеля,
где
где Э∗ (− ) ⋅ 1 = 1+ ∑∞ (− 1+ ) - дробно-экспоненциальная функция
= 0(1− Э∗(− )) , (4)
=0 [1+(1+ )(1+ )]
Работнова с ядром, равным Э (− , ) = ∑∞ (− 1+ ) . =0 [(1+ )(1+ )]
Определяющее соотношение при скоростном деформировании, задавае-
мом функцию ( ) = ̇ , можно получить из (3) в следующем виде:
∞
0 1+ = [1− () ∑
1+ (− ( ̇) )
] (5) ̇ =0 [2+(1+ )(1+ )]
Параметры определяющего соотношения (5) определялись по результатам испытаний под углом 90o и 45o однонаправленных углепластиков IM7/8552 и AS4/3501-6. С помощью опытных данных были получены данные, Таблица 1.
Параметры определяющего соотношения 0,ГПа 0 ,ГПа 0 ,ГПа с-(1+)
Таблица 1 с-(1+)
0,1327 0,3051
IM7/8552 AS4/3501-6
2 45 12 2,
10,4 17,22 5,8 0,1280 15,5 23,33 10.1 0,2018
Рис. 2. Кривые деформирования образцов из углепластика AS4/3501-6 при сжа- тии под углам θ=45o (а) и 90o (б) к направлению армирования
— o - динамическое нагружение, — + - квазистатическое нагружение
Рис. 3. Кривые деформирования образцов из углепластика IM7/8552 при сжа- тии под углами θ=45o (а) и 90o (б) к направлению армирования
— o - динамическое нагружение, — + - квазистатическое нагружение
Для описания нелинейного деформирования при сдвиге в плоскости слоя использовалось нелинейное уравнение Работнова ( ) = (1 + ∗ ) , из
которого следует = (1 − ∗ (− )) ( ), где ( ) - кривая мгновен- 12 12 1212 12
ного деформирования. Кусочно-линейную аппроксимацию кривой мгновенного
деформирования представим в виде ( ) = 0 ( ) − ∑ 0 ( 12 1212 12 =1 12
∗). Тогда,
−
= 0 ( , ̇) −∑ Δ ( − ∗, ̇)( − ∗) ( − ∗), (6) 12 12 =1 12
1+
где ( , ̇)=[1− ( )1+ ∑∞ (− 12( ̇) ) ]. 12 ̇ =0 Γ[2+(1+ ) ]
12 12 12
где ∗- значения деформации сдвига,
при которых наблюдается уменьше- ние модуля сдвига 0, ( )- функ-
ция Хевисайда. Получены коэффици- енты 0 = 6,3 ГПа, ∗ =2,4,6; 0 =4,
12
0,8 и 1 ГПа. Сравнение расчетных кри- вых деформирования и эксперимен- тальных данных при квазистатиче- ском и динамическом нагружениях показано на Рис. 4.
Рис. 4. Кривые деформировании при сдвиге в плоскости слоя при ̇ =
4 ∙ 10−4, 300 сек−1. Сплошная – мгно- венная кривая.
В третьей главе разработаны методики расчета прочности однона- правленного углепластика при одно- осном нагружении с учетом скоро- сти деформирования и влияния тем- пературы.
Для описания кривой прочно-
сти предложена параболическая за-
висимость - = ∙ 2 + ∙ + , 12 2 2
где - напряжение в направлении, 2
перпендикулярном армированию, 6
- касательное напряжение, a, b, c – коэффициенты, полученные с помо- щью экспериментальных данных, приведены в Таблице 2. Сравнение расчетных и экспериментальных дан- ных дано на Рис. 5.
Рис. 5.
Таблица 2 ( −1) ̇ a b c * 2
Значения коэффициентов модели
10−4 -4 1 0
-0.0039 -0.0034 -0.0031
-0.84 83.7 -0.9 99.1 -0.97 110
0.8884 0.9218 0.968
400 2.6
Предполагалось, что коэффициенты парабол пропорциональны логарифму
нормированной скорости деформации: ( ̇) = ( ∙ ̇ + 1), где , – коэффи- ̇
циенты аппроксимации. Выражения для разных скоростей получены в виде:
( ̇)= 0(−0,03∙lg ̇ +1), ( ̇)= 0(0,02∙ ̇ +1), ( ̇)=
(Рис. 6).
̇ ̇ 00
(0,047∙ ̇ +1), где ̇ =10−4 с−1, =−0,0039, =−0,84, =83,7, 0 ̇0000
Рис. 6. Соотношения коэффициентов от скорости деформирования. А-коэффициент а, Б-коэффициент b, В-коэффициент c
7
Представим кривую прочности однонаправленного углепластика в виде следующего уравнения,
( − )2 2
2
+ 6 [1 + ( − )] = 1, (7)
где = 2 2 ; = 2 2, +, −-значенияпрочностиприрастяженииисжа-
2 +− − ++ −
2
тии в направлении, перпендикулярном армированию. Напряжение действует под уг-
лом к направлению армирования, то- гда нормальное напряжение =
2 2( + ) и касательное напряже-
ние =− ( + ) ( + ) , 6
где - значение изменения угла к
направлению армирования при внут-
рислойном сдвиге. При + = /4 ка-
сательное напряжение имеет макси-
мальное значение 0 . Дифференцируя 6
неявную функцию (7) по 6, получены выражения коэффициентов =
Рис. 7. Сравнение расчетных и экспериментальных данных
−2( − ) 0
2+( 0− )2
и =
| ∙ | . 0
√ 2+( 0− )2
На основе экспериментальных данных из Таблицы 3 получены числовые значения параметров критерия (7). Расчетные кривые прочности однонаправлен- ного углепластика при разных скоростях деформирования, приведены на Рис. 7.
Значения коэффициентов m, n, , k
Таблица 3
k, МПа−1 9,72е-4 1,2е-3 8,59е-4
Нагружение квазистатическое статическое динамическое
̇ m, МПа -4 175
0 212,5 2,6 240
n, МПа 124,5 158,7 174,1
, МПа 110 132,5 150
Предполагалось, что параметры критерия линейно зависят от лога- рифма нормированной скорости де- формирования. Полученные выраже- ния имеют вид:
( ̇) = 0(0,055 ∙ lg ̇ + 1, ̇
( ̇) = 0(0,065 ∙ lg ̇ + 1), ̇
( ̇)= 0(0,053∙lg ̇ +1), где ̇
̇ =10−4 с−1, =175 МПа, = 000
124,5 МПа, 0 = 110 МПа. На Рис. 8 показано сравнение расчетных и экс- периментальных результатов.
0
0
Рис. 8.
Таблица 4 Значения коэффициента детерминации для кривых прочности
Нагружение квазистатическое статическое
динамическое
Приведено сравнение по- грешностей кривых прочности, полученных по разным методам расчета. Коэффициенты детер- минации показаны в Таблице 4. Кривые прочности и опытные данные показаны на Рис. 9.
По результатам испыта- ний образцов на прочность при растяжении-сжатии и сдвиге при разных скоростях деформи- рования можно построить кри- вые прочности.
Предложено соотношение
оценки влияния температуры на
прочность при нагружении под
разными углами к направлению
армирования однонаправленного
углепластика T800/2500: ( )/
( )= ∙ / + , где 00
=20°C, p и q – искомые коэффи- 0
циенты. Полученное выражение имеет вид: ( )/ ( ) = −0,14 ∙
/ + 1,2. Сравнение расчета и 0
эксперимента показано Рис. 10.
Рис. 9.
̇ (с−1) 2 10−4 0,864 1 0,914
400 0,957
2 (Daniel NU) 0.8383
0.9003 0.9512
0
Рис. 10.
В четвертой главе проведён анализ экспериментальных данных и изу-
чены закономерности механического поведения углепластика T300/AG80.
Рис. 11. Образцы для испытания из углепластика T300/AG80
Из пластины из углепластика T300/AG80, имеющей 47 слоев и общую тол- щину 10 мм, были вырезаны образцы размером 10*10мм*5мм под углами 0o, 15o, 30o, 45o и 90o к направлению основы, Рис. 11. Испытания проводились на испы- тательных машинах, показанных на Рис. 12: а - Инстрон 5500R и б - разрезной стержень Гопкинсона, регистрация деформаций образцов выполнялась при по- мощи динамических тензодатчиков LK2107B в и г цифрового осциллографа TBS2000. Испытания проводились в Харбинском Техническом Университете. По пять образцов каждой вырезки нагружали тремя значениями скорости дефор- мации. Результаты экспериментов показаны на Рис. 13.
Рис. 12. Испытательные машины
Рис. 13. Экспериментальные кривые напряжения и деформации Средние значения прочности и предельной деформации представлены в Таблице 5. При углах 30o и 45o образцы из углепластика T300/AG80 имеют ми- нимальную прочность как при квазистатическом, так и при динамическом нагру- жении. Экспериментально установлено, что при квазистатическом и статиче- ском нагружении в направлении армирования диаграммы деформирования
близки к линейным, а при динамическом - нелинейным. С ростом скорости де- формирования наблюдается увеличение модули и прочности.
Таблица 5 Средние значения прочности и предельной деформации
Скорость де- формации(1/с) 10−4
0,8
Деформация (%) | Прочность (МПа)
0o 15o 30o 45o 90o
3 433 3 311,1 5,8 268 6,6 265,4 3,4 406 2,3 509,4 2,2 366,8 3,6 312,5 4 303 2,3 546 3 728,1 1,2 653,4 2,3 398,5 5 343,4 2 636
В пятой главе выполнены моделирование высокоскоростного воздей- ствия и расчет геометрии каркаса конструкции защиты КА с помощью метода SPH из блока Autodyn программы ANSYS. Постановка задачи заключается в себя законы сохранения массы, импульса и энергии.
Геометрическая модель (пластина) для решения задачи математического моделирования высокоскоростного удара частицы представляет собой пластину однонаправленного углепластика T300/AG80 с меняющейся длиной и толщиной в процессе моделирования в зависимости от скорости и массы ударника. Модели ударника, двигающиеся со скоростями от 7 до 11 км/с и имеющие массы от 0,1 до 1 г, представляются частицами алюминия кубической формы. Модель иссле- дуемого углепластика принималась линейно-упругой. Алюминий моделиро- вался как вязкопластичный материал. Физико-механические свойства материа- лов показаны на Рис. 14.
Рис. 14. Параметры пластины и ударника в процессе моделирования вы- сокоскоростного удара методом SPH в Autodyn
Для определения предельной скорости деформирования при скоростях выше 7 км/с проводилось моделирование ударов ударника (Рис. 15,а) в центр пластины (10мм*10мм*5мм) в направлении основы со скоростями 7, 8, 9,10, 11 км/с, и соответствующие графики скоростей деформирования от времени дей- ствия удара показаны на Рис. 15,б.
(а) (б)
Рис. 15. а – схема расположения контрольных точек по толщине пластины. б –
зависимость скоростей деформирования точки на поверхности пластины от времени при разных значениях ударного воздействия
В Таблице 6 приведен пересчет скоростей деформирования и соответству- ющие скорости нагружения (удара).
Таблица 6 Расчетные значения скорости деформирования и соответствующие скоро-
сти нагружения (удара)
v (м/с) 10−7 410−3 7 7103 8103 9103 1104 1,1104
̇ (1/с) 10−4 0,8 1200 1,2106 1,4106 1,6106 1,9106 2,2107
Результаты испытаний показывают, что однонаправленный углепластик T300/AG80 под углом 0° к направлению армирования имеет наибольшую проч- ность при различных скоростях деформирования, но из-за технических трудно- стей изготовления толстостенных однонаправленных пластин из однонаправ- ленного углепластика и значительных расслоений при высокоскоростном ударе не рекомендуется использование однонаправленного углепластика T300/AG80 под углом 0° к направлению армирования для проектирования конструкций за- щиты КА. По анализу экспериментальных результатов однонаправленный уг- лепластик T300/AG80 под углом 90° к направлению армирования также имеет высокую прочности как при квазистатическом, так и при динамическом нагру- жении. По этой причине при моделировании были выбраны образцы однона- правленного углепластика T300/AG80 под углом 90° к направлению армирова- ния, имеющие шириной и длиной 50 мм с изменяющейся толщиной в зависимо- сти от скорости и массы ударника. Удар происходит в центре пластины в направ- лении противоположном оси Z.
Результаты моделирования при скоростях ударника 7 км/с и 11 км/с с мас- сами 0,1 г, 0,5 г и 1 г показаны на Рис. 16 и 17, соответственно.
12
Рис. 16. Определение толщин элементов каркаса при скорости удара 7 км/с и массой 0,1 г, 0,5г и 1 г.
Рис. 17. Определение толщин элементов каркаса при скорости удара 11 км/с и массой 0,1 г, 0,5г и 1 г.
Чтобы найти значения толщин элементов каркаса надо определить гра- ницу раздела «пробитие-непробитие» в пластине. На Рис. 18 показаны зависимо- сти скоростей вылетевших частиц (точек) от времени в процессе удара. Счита- ется, что, если значения скоростей вылетевших частиц (точек 4 или 5 в Рис. 16 и 17) ниже нулю, тогда в пластине было пробитие. Таким образом, через множе- ство смоделированных экспериментов с изменением массы ударника, были
определены толщины элементов каркаса конструкции защиты КА. Полученные значения толщины являются минимальными значениями толщин безопасности силовых конструкции защиты КА, изготовленных из однонаправленного уг- лепластика T300/AG80 под углом 90° к направлению армирования.
Рис. 18. Зависимости скоростей вылетевших частиц (точек) от времени: а - при скорости удара 7 км/c; б - при скорости удара 11 км/c
Космический мусор, долгосрочно летающий в космическом пространстве, имеет скорости от 7,9 км/с до 11,2 км/с, которые являются наиболее опасными скоростями космического мусора для КА. В моделирования были определены значения толщин безопасности элементов силовой конструкции защиты КА при скоростях 7 км/c и 11 км/c. На основе результатов моделирования построены гра- фики взаимосвязи толщины безопасности от массы и скорости космического му- сора, показанные на Рис. 19. С помощью их взаимосвязи можно определить значения толщиы безопасности при скорости космического мусора от 7 км/с до 11 км/с и массой от 0,1 г до 1 г.
Рис. 19. Взаимосвязь толщины элементов силовой конструкции КА от массы (м) и скорости (V) космического мусора
В заключении сформулированы основные полученные в работе научные результаты и выводы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. На основе нелинейного наследственного уравнения Работнова с ис- пользованием алгебры резольвентных операторов разработана методика постро- ения определяющих соотношений, позволяющая описывать анизотропию меха- нических свойств однонаправленного углепластика при переменных во времени нагрузках и, в частности, при скоростном деформировании.
2. Разработана методика оценки анизотропии прочности при нагружении образцов однонаправленного углепластика, позволяющая учитывать влияние скорости деформирования и температуры.
3. На основе комплексных экспериментальных исследований выявлены фундаментальные закономерности механического поведения образцов из одно- направленного углепластика Т300/AG80. Показано, что с ростом скорости де- формирования наблюдается повышение прочности при сжатии во всех исследо- ванных направлениях.
4. С помощью конечно-элементного моделирования получены зависимо- сти скорости деформирования образцов из углепластика от массы и скорости алюминиевого ударника.
5. Выполненырасчетыбезопасныхтолщиннесущегокаркасабаллистиче- ской защиты КА при высокоскоростном воздействии с учетом массы ударника.
6. Разработанные методики могут быть использованы при проектирова- нии элементов защиты КА от воздействия космического мусора. Показано, что углепластик T300/AG80 удовлетворяет требованиям, предъявленным к материа- лам защиты КА от космического мусора.
Актуальность работы. Накопление в околоземном пространстве элементов
отработавших ракет-носителей и космических аппаратов (КА) является
неизбежным негативным результатом космической деятельности. Сочетание
техногенного космического мусора с естественными метеороидами создает среду,
представляющую реальную опасность для КА. Наблюдения за состоянием
околоземного космического пространства показывают, что с течением времени
количество техногенных фрагментов увеличивается с прогрессирующей скоростью
и опасность столкновения их с орбитальными КА возрастает. В настоящее время в
космосе находится почти 128 млн фрагментов космического мусора размером
более 1 мм и 34 тыс. фрагментов размером более 10 см. Все, что меньше 1 мм
подсчитать крайне трудно. Скорость частиц может доходить до 11 км/с в
зависимости от орбиты, что делает актуальной проблему обеспечения ударной
прочности конструкций орбитальных КА [1-3].
В последние годы возникла проблема обеспечения безопасности КА от
космического мусора, которая была решена введением в их конструкцию защитных
экранов. Экспериментальное исследование ударного воздействия мелких частиц
космического мусора представляет трудоемкую и дорогостоящую задачу. В связи
с вышесказанным важное значение приобретает разработка методов расчета
прочности элементов силовой конструкции защиты КА при динамическом и
высокоскоростном воздействии. Несмотря на то, что уже проведен большой объем
исследований в области сопротивления элементов силовых конструкций защиты
КА ударным нагрузкам, остается много нерешенных вопросов.
Вопросы расчетно-экспериментального исследования прочности защиты
элементов РКТ при высокоскоростном воздействии частиц осколочно-
метеороидной среды получили интенсивное развитие во второй половине ХХ века.
Общие основы теории высокоскоростного удара в России были заложены Л.П.
Орленко, Ю.Ф. Христенко, В.Е. Фортовым, Л.А. Мержиевским и В.М. Титовым и
другими исследователями [4-7]. Применительно к прочности защиты КА в России
это направление развивается в ФГУП «ЦНИИмаш»: Е.П. Буслов, В.П. Романченков,
В.А. Фельдштейн, в ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»: И.М. Гадасин, в АО
«РКЦ «Прогресс»: Н.Д. Семкин, в ПАО «РКК «Энергия»: В.Г. Соколов, А.В.
Горбенко, в ФГУП «НПО имени С.А. Лавочкина»: Д.Б. Добрица, АО «ИСС»
имени академика М.Ф. Решетнева: Ю.Л. Булынин, в Томском государственном
университете: Ю.Ф. Христенко, А.В. Герасимов, в МГТУ им. Н.Э. Баумана: В.В.
Зеленцов, в Институте прикладной механики РАН: Н.Н. Мягков [8-20].
Среди зарубежных авторов следует особо отметить Ф.Л. Уиппла, идея
которого об отнесенном от основной конструкции тонком экране (экран Уиппла)
лежит в основе всех видов экранных защит КА [21]. Большой вклад в решение
проблемы внесли Б.Д. Кур-Пале (B. G. Cour-Palais), К.Д. Мейден (C. J. Maiden),
Э.Р. Макмиллан (A.R. McMillm), А. Пикутовский (A. Piekutowski), В. Шонберг (W.
Schonberg), Э. Л. Кристенсен (E.L. Christiansen), М. Ламберт (M. Lambert) [22-28].
В настоящее время сложилась концепция двухэкранной защиты, широко
примененная на модулях МКС [3].
Однако в последние годы интенсивно ведутся работы по созданию
принципиально новой конструкции космического аппарата, основанной на
применении трансформируемых (надувных) гермоотсеков, стенка которой
выполнена из гибких материалов. На этапе вывода на орбиту он находится в
сложенном состоянии, а на орбите надувается и разворачивается, приобретая свою
рабочую форму. Объем такого модуля, в отличие от модуля традиционной
конструкции, практически не зависит от диаметра грузового отсека ракеты-
носителя. Очевидно, что сложившаяся концепция защиты неприменима к
надувным трансформируемым модулям и требует разработки новых принципов
обеспечения безопасности [29-33].
Несмотря на активный интерес к данной проблеме, в ней остается много
нерешенных вопросов. По существу, защита КА, которая применяется на данный
момент, отрабатывается на высокоскоростное воздействие мелких осколков только
в диапазоне скоростей до 7 км/с. В то же время скоростной диапазон
взаимодействия частиц с КА более широк и требует увеличения реализации
скоростей при наземной отработке до 11 км/с и выше. Легкогазовые
баллистические установки (ЛБУ), обеспечивающие скорости до 7,0 км/с находятся
на пределе физических и технологических возможностей. Поэтому достижение
более высоких скоростей, по-видимому, должно идти по пути использования
взрывных технологий. В отличие от ЛБУ, где метаемая частица имеет заданную
массу и форму, в метательных установках взрывного типа частица формируется в
процессе ускорения. Поэтому основной проблемой является обеспечение
стабильного режима испытаний, то есть прогнозирования и реализации получения
частицы с необходимой массой и скоростью при соблюдении требований
компактности, то есть соразмерности ее габаритов по различным направлениям.
В данный момент требование к техническим характеристикам конструкции
ракетно-космических и авиационных техник со временем повышается. Для
изготовления таких конструкции из углепластиков необходимо учесть
реологические свойства и ударную прочность. При испытании механического
поведения крупногабаритных конструкций увеличивает расход сырья, средств,
времени и трудовых ресурсов. В настоящее время методики прогнозирования
механического поведения крупногабаритных конструкций под влиянием
временных эффектов не были совершенны. Применяемые модели определяющих
соотношений с учетом структурных факторов при разных видах нагружения
приводят к большой погрешности. В связи с этим изучение закономерностей
механического поведения углепластика при высокоскоростном ударе
представляется актуальной задачей. При моделировании удара космического
мусора на элементы каркаса защиты КА необходимо построение определяющих
соотношений и методов расчета прочности при динамическом и высокоскоростном
воздействии, позволяющих учитывать физическую нелинейность с учетом
температуры. При моделировании удара космического мусора на элементы каркаса
защиты КА необходимо построение определяющих соотношений и методов
расчета прочности при динамическом и высокоскоростном воздействии,
позволяющих учитывать физическую нелинейность с учетом температуры.
Степень разработанности темы исследования. В России и за рубежом
активно разрабатываются перспективные конструкции трансформируемых
модулей КА, в основе которых лежит надувная гермооболочка из мягкого
полимерного материала [33]. Традиционная технология защиты модулей
орбитальных станций от воздействия космического мусора основана на
применении защитных экранов, устанавливаемых дистанционно на стенки
гермооболочек. Очевидно, что эта схема неприменима для трансформируемых
модулей, которые разворачиваются после вывода на орбиту. В данном случае
защитные слои должны быть также легко складываемы, как и основные
газодержащие и силовые слои, входящие в состав гермооболочки. Проектирование,
расчет и экспериментальная отработка встроенной защиты трансформируемых
модулей является мало исследованной проблемой прочности перспективных
конструкций КА.
В настоящее время отсутствуют систематические исследования по
разработке метода метания компактной алюминиевой частицы в диапазоне
скоростей (7,0-11,0) км/с. Сложность экспериментов по высокоскоростному удару
и их достаточно высокая стоимость требует по возможности более широкого
использования современных методов численного компьютерного моделирования.
Изучение влияния чувствительности полимерных композиционных
материалов и, в частности, углепластиков к скорости деформирования является
частью более комплексной задачи, связанной с разработкой моделей оценки
механического поведения силовых элементов конструкций. Закономерности
механического поведения однонаправленных углепластиков более сложны и в ряде
работы [34-50] для разработки методики построения определяющих соотношений
более общего типа требуется проведение комплексных экспериментальных
исследований. При разработке методик, основанных на соотношениях теории
вязкоупругости или наследственной механики, многие ученые уделяют внимание
определяющему соотношению однонаправленного углепластика при переменных
во времени нагрузках.
Большой вклад в развитие теории наследственной механики и механики
сплошной среды внесли Ю.Н. Работнов, Г. Кирхгоф, В.В. Васильев, С.Т. Herakovich,
Р. Кристенсен, N.W. Tschoegl, R.A. Schapery и другие [48, 51, 57]. Вопросы,
связанные с оценкой предельного состояния и механикой разрушения
композиционных материалов, освещены в работах Л.М. Качанова, П.А. Зиновьева,
S.W. Tsai, E.M. Wu, R. Hill, Z. Hashin, A. Rotem, A. Puck, P.D. Soden, A.S. Kaddour,
M.J. Hinton [58-65]. Значительный вклад в разработку аналитических методов
решения задач нелинейности и реологических свойств полимерных композитов и в
область механики композиционных материалов и вопросы, связаные с
вязкоупругим деформированием материалов, внесли Б.Н. Федулов, Ю.В. Суворова,
C.T. Sun, Е.В. Ломакин, В.Н. Скопинский, Н.П. Тютюнников, И. Эмиль, I. Daniel.,
Ю.С. Уржумцев, С.А. Амбарцумян, J.E. Ashton, J.M. Whitney, С.Г. Лехницкий, И.И.
Гольденблат, В.А. Копнов, А.К. Малмейстер. Б.Е. Победря, В.Э. Вильдеман, А.Ю.
Ишлинский, И.И. Бугаков [65-78].
В последние годы вопросам сопротивления композиционных материалов
деформированию и разрушению посвящены работы С.А. Лурье, А.А. Дудченко,
Д.В. Тарлаковского, Р.А. Турусова, В.А. Комарова, Б.В. Бойцова, В.Г. Дмитриева,
А.А. Смердова, А.М. Думанского, Л. П. Таировы, Б.С. Сарбаева, В.С. Зарубина, И.К.
Туркина, Г.Н. Кувыркина, B.T. Werner, N. Petrinic, H. Cui, H.M. Hsiao, H. Koerber,
M. Kawai., P.P. Camanho, А.Л. Медведского, Р.Д. Максимова, Р.А. Каюмова, Л.Н.
Рабинского, В.Н. Паймушина, А.М. Покровского, И.А. Разумовского, В.Е.
Стрижиуса, Ю.Г. Матвиенко, С.Б. Сапожников [35-38, 42, 79-93].
Анализ литературных источников показывает, что не в полной мере решены
задачи напряженно-деформирования полимерных композиционных материалов
при переменных во времени нагрузках. Приведены решения для конкретных задач
отдельных материалов при ограничении начальных условий, однако отсутствуют
обобщенные модели для оценки нелинейности и реологических свойств элементов
конструкции с учетом структурных факторов. В литературе большинство работ
посвящено исследованию механического поведения и характеристик материалов
при квазистатическом нагружении, а недостаточно говорится о обстоятельстве
динамического нагружения. Кроме того, в литературе приведены частные случаи
решений, позволяющих определять напряженно-деформированное состояние
однонаправленного углепластика и недостаточно методика определения
напряженно-деформированного состояния в слоистых пластинах при изменении
температур.
В настоящей диссертационной работе представлены результаты
комплексного исследования реологических свойств и физической нелинейности
КМ и разработки методики построения определяющих соотношений и расчета
прочности элементов конструкций из КМ при переменных во времени нагрузках с
учетом влияния температур.
Объект исследования – композитная несущая конструкция
трансформируемой ловушки для защиты КА от космического мусора.
Предмет исследования – прочность КМ и методы обеспечения безопасности
КА при высокоскоростном ударе.
Целью диссертационной работы является обеспечение безопасности КА
путем определения толщины несущей конструкции из композиционных
материалов при ударном нагружении с учетом физической нелинейности.
Основные задачи работы.
1. Разработка методики построения определяющих соотношений
однонаправленного углепластика под разными углами к направлению армирования
при переменных во времени нагрузках.
2. Разработка методов расчета прочности опытных образцов из углепластика
используемых в каркасе конструкции защиты КА с учетом влияния скорости
деформирования и температуры.
3. Теоретически и экспериментально определить физико-механические и
теплофизические характеристики углепластика T300/AG80, используемого в
каркасе конструкции защиты КА.
4. Конечно-элементное моделирование сопротивления деформированию и
разрушению при высокоскоростном ударе алюминиевыми частицами и расчет
геометрии элементов силового каркаса конструкции защиты КА.
Методология и методы исследования. В работе использованы модели
механики сплошной среды, включающие элементы наследственной механики
твердых тел, соотношение анизотропной теории упругости, феноменологические
подходы к оценке прочности при высокоскоростных воздействиях, методы
обработки и анализа экспериментальных данных, сочетании численных и
экспериментальных методов исследования физико-механических характеристик
КМ. Испытания проводились на испытательных машинах Инстрон 5500R и
разрезном стержне Гопкинсона. Конечно-элементное моделирование было
выполнено с использованием программы Ansys Autodyn.
Научная новизна работы.
1. Разработана новая методика построения определяющих соотношений
наследственного типа, позволяющих описывать анизотропию механических свойств
однонаправленного углепластика при скоростном нагружении.
2. Впервые предложены критерии разрушения однонаправленного
углепластика в зависимости от скорости деформирования с учетом влияния
температуры.
3. Разработана новая методика определения геометрии силовой конструкции
в зависимости от массы и скорости космического мусора для обеспечения
безопасности КА.
Практическая значимость диссертационной работы.
1. Разработанные методы построения определяющих соотношений и
модели оценки прочности и нагрева КМ позволяют сократить число экспериментов
по отработке режимов испытаний и повысить точность прогнозирования
сопротивления деформированию и разрушению крупногабаритных конструкций.
2. Показано, что в качестве материала каркаса защиты КА может быть
использован однонаправленный углепластик, который удовлетворяет
необходимым требованиям по прочности, в том числе углепластик Т300-AG80
может быть использован для создания элемента силовой конструкции защиты КА.
3. Результаты проведенных исследований являются научно-методической
основой расчетно-экспериментальной отработки прочности каркаса защиты КА
при ударе компактной алюминиевой частицей массой 0,1 – 1 г в диапазоне
скоростей 7,0 – 11,0 км/с.
4. Определены безопасные толщины каркаса баллистической защиты
зависимости от массы и скорости ударника.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов,
приведенных в диссертационной работе, подтверждается корректным применением
математических методов и математическим обоснованием полученных в работе
аналитических решений, а также сопоставлением расчетных значений с
экспериментальными, полученными как в рамках настоящей работы, так и в
работах других авторов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Методы построения определяющих соотношений для
однонаправленного углепластика при переменных во времени нагрузках с учетом
физической нелинейности.
2. Критерии разрушения однонаправленного углепластика с учетом
влияния скорости деформирования и температуры.
3. Экспериментальные методы исследования прочности при
квазистатическом, статическом и динамическом нагружении.
4. Конечно-элементное моделирование воздействия алюминиевых частиц
на элемент силового каркаса защиты КА из однонаправленного углепластика и
определения геометрия силового каркаса защиты КА, обеспечивающего
безопасность КА.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на
международных и всероссийских научных конференциях и семинарах:
– Основные положения диссертации докладывались на международных и
всероссийских научных конференциях и семинарах: II международный форум по
композитам «ключевые тренды в композитах: наука и технология», г. Москва, 20-
21 ноября 2019 г.
– VI Международная научная конференция «Фундаментальные исследования
и инновационные технологии в машиностроении», г. Москва, 26-27 ноября 2019 г.
– Международная научно-техническая конференция «Современные
направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в
машиностроении 2019», г. Севастополь, 09-13 сентября 2019 г.
– Международная молодежная научно-техническая конференция
«Космические технологии», г. Реутов, 28 Мая 2019 г.
– XI Всероссийская конференция по испытаниям и исследованиям свойств
материалов «ТестМат» по тематике «Физико-механические испытания, прочность,
надежность, высокотемпературные испытания», г. Москва, 01 февраля 2019 г.
– Международная научная конференция «ХLIII академические чтения по
космонавтике», г. Москва, 29 января -01 февраля 2019 г.
– Ⅰ международный форум по композитам «ключевые тренды в композитах:
наука и технология», г. Москва, 5-8 декабря 2018 г.
-Ⅲ международная конференция «Деформирование и разрушение
композиционных материалов и конструкций» (DFCMS-2018), г. Москва, 23-25.
октября. 2018 г.
– Всероссийская научно-практическая конференция с международным
участием «Новые технологии, материалы и оборудование российской
авиакосмической отрасли», г. Казань, 8-10 августа 2018 г.
-Ⅳ международная конференция «Живучесть и конструкционное
материаловедение» ЖивКоМ (SSMS-2018), г. Москва, 4–6 декабря 2018 г.
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы
отражены в 16 [97-112] научных статьях, в том числе в двух [97, 98 ] изданиях,
входящих в перечень ВАК РФ, в восьми [105-112] публикациях, индексируемых в
базе данных Scopus, и 6 [99-104] сборниках тезисов конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
пяти главы, заключения и списка использованной литературы, содержащего 168
наименований. Работа содержит 87 рисунков, 25 таблиц, изложена на 167
страницах.
Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования,
сформулированы цели и основные задачи работы, полученные в ней новые научные
результаты, обоснованы их достоверность и практическая значимость, приводятся
сведения об апробации работы, краткое описание содержания диссертации по
главам.
В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы обеспечения
безопасности летательных аппаратов в космосе при высокоскоростном
воздействии, вызванном столкновениями с космическим мусором. Обоснованы
технические требования, предъявляемые к элементу конструкции каркаса защиты
КА из углепластика. Приведен обзор и рассмотрены вопросы экспериментального
исследования деформационных и прочностных свойств КМ при квазистатическом,
статическом и динамическом нагружениях. Приведен анализ закономерностей
механического поведения углепластиков при высокоскоростном воздействии с
учетом влияния температуры.
Во второй главе рассмотрены основные механические характеристики,
определяемые при статическом и динамическом испытаниях полимерных
волокнистых композитов. Разработана методика построения определяющих
соотношений напряженно-деформированного состояния однонаправленного
углепластика при разных скоростях, основанная на соотношениях наследственной
механики, позволяющей учитывать влияние физической нелинейности.
В третьей главе разработаны математические модели описания кривых
прочности однонаправленного углепластика при одноосном нагружении и
различных скоростях деформирования с учетом влияния температуры. Кривые
прочности, построенные на основании этой модели, хорошо согласуются с
экспериментальными данными.
В четвертой главе проведён анализ экспериментальных данных и изучены
закономерности механического поведения: влияние скорости деформирования и
направление действия нагрузки на модули упругости, прочности и предельные
деформации образцов из углепластика T300/AG80.
В пятой главе выполнено моделирование высокоскоростного воздействия и
расчет геометрии силового каркаса защиты КА.
В общих выводах и заключении сформулированы и изложены основные
результаты диссертационной работы.
Читать «Разработка методики расчета прочности и несущих конструкций космических аппаратов из композиционных материалов при высокоскоростном ударе»
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.6 (522 отзыва)
5 (9 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.8 (30 отзывов)
