Оптимізація за масою сендвічевих оболонкових композитних конструкцій зі стільниковим заповнювачем

Автор(и)

  • Andrii Kondratiev Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «ХАІ» вул. Чкалова, 17, м. Харків, Україна, 61070, Україна https://orcid.org/0000-0002-8101-1961
  • Vitaliy Gaidachuk Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «ХАІ» вул. Чкалова, 17, м. Харків, Україна, 61070, Україна https://orcid.org/0000-0001-7202-5109

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.154928

Ключові слова:

сендвічеві оболонкові конструкції, композитні несучі обшивки, стільниковий заповнювач, оптимізація параметрів

Анотація

Сендвічеві багатовідсікові оболонкові конструкції з несучими обшивками із полімерних композиційних матеріалів і стільниковим заповнювачем знайшли широке застосування у виробах різних класів техніки. Цей тип конструкцій дозволяє реалізувати одні з найвищих показників питомої міцності і жорсткості при мінімальній масі, що є одним з визначальних критеріїв ефективності різних агрегатів. У зв'язку з тим, що дана конструктивно-силова схема містить дуже велику кількість параметрів, при зміні яких істотно змінюється маса виробу, до теперішнього часу відсутні загальноприйняті методики їх оптимального проектування.

Стаття присвячена розробці нової методики оптимізації сендвічевих оболонкових композитних конструкцій зі стільниковим заповнювачем. Змінними параметрами в методіці є товщини несучих обшивок, стільникового заповнювача і поясів шпангоутів, геометричні параметри стільників, а також враховувується технологічна механіка конструкцій.

Відмінною особливістю методики є облік при її реалізації технологічних (монтажних) і експлуатаційних поводок розглянутих оболонкових систем. У статті проведено аналіз взаємного впливу таких поводок, а також показана можливість дослідження їх залежності від параметрів навантаження для заданих амплітуд початкових прогинів технологічного походження. Отримані результати дозволяють визначити оптимальний вид армування несучих композитних обшивок при дії осьового стискання, поперечного тиску і згинального моменту з урахуванням технологічних і експлуатаційних прогинів сендвічевої оболонкової системи. Розроблена методика та її програмне забезпечення реалізували всі основні залежності механічних характеристик стільників від їх геометричних параметрів і матеріалу. Це дозволило процес оптимального проектування розглянутого класу конструкцій пов'язати з технологічними процесами формування виробу і можливостями конкретного виробництва за конструкційними матеріалами і номенклатурою стільників. Реалізація запропонованої методики для оптимізації параметрів багатовідсікової сендвічевої оболонкової композитної системи типу головного обтічника космічної ракети-носія виявила її ефективність, що виразилася в зниженні маси оптимального виробу. Показано, що застосування стільників неправильної шестигранної форми є досить ефективним засобом зниження маси системи

Сендвічеві багатовідсікові оболонкові конструкції з несучими обшивками із полімерних композиційних матеріалів і стільниковим заповнювачем знайшли широке застосування у виробах різних класів техніки. Цей тип конструкцій дозволяє реалізувати одні з найвищих показників питомої міцності і жорсткості при мінімальній масі, що є одним з визначальних критеріїв ефективності різних агрегатів. У зв'язку з тим, що дана конструктивно-силова схема містить дуже велику кількість параметрів, при зміні яких істотно змінюється маса виробу, до теперішнього часу відсутні загальноприйняті методики їх оптимального проектування.

Стаття присвячена розробці нової методики оптимізації сендвічевих оболонкових композитних конструкцій зі стільниковим заповнювачем. Змінними параметрами в методіці є товщини несучих обшивок, стільникового заповнювача і поясів шпангоутів, геометричні параметри стільників, а також враховувується технологічна механіка конструкцій.

Відмінною особливістю методики є облік при її реалізації технологічних (монтажних) і експлуатаційних поводок розглянутих оболонкових систем. У статті проведено аналіз взаємного впливу таких поводок, а також показана можливість дослідження їх залежності від параметрів навантаження для заданих амплітуд початкових прогинів технологічного походження. Отримані результати дозволяють визначити оптимальний вид армування несучих композитних обшивок при дії осьового стискання, поперечного тиску і згинального моменту з урахуванням технологічних і експлуатаційних прогинів сендвічевої оболонкової системи. Розроблена методика та її програмне забезпечення реалізували всі основні залежності механічних характеристик стільників від їх геометричних параметрів і матеріалу. Це дозволило процес оптимального проектування розглянутого класу конструкцій пов'язати з технологічними процесами формування виробу і можливостями конкретного виробництва за конструкційними матеріалами і номенклатурою стільників. Реалізація запропонованої методики для оптимізації параметрів багатовідсікової сендвічевої оболонкової композитної системи типу головного обтічника космічної ракети-носія виявила її ефективність, що виразилася в зниженні маси оптимального виробу. Показано, що застосування стільників неправильної шестигранної форми є досить ефективним засобом зниження маси системи

Біографії авторів

Andrii Kondratiev, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «ХАІ» вул. Чкалова, 17, м. Харків, Україна, 61070

Доктор технічних наук, доцент, завідувач кафедри

Кафедра конструкцій і проектування ракетної техніки

Vitaliy Gaidachuk, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «ХАІ» вул. Чкалова, 17, м. Харків, Україна, 61070

Доктор технічних наук, професор, головний науковий співробітник

Проблемна науково-дослідна лабораторія композиційних матеріалів

Посилання

  1. Panin, V. F., Gladkov, Yu. A. (1991). Konstrukcii s zapolnitelem. Moscow: Mashinostroenie, 272.
  2. Nunes, J. P., Silva, J. F. (2016). Sandwiched composites in aerospace engineering. Advanced Composite Materials for Aerospace Engineering, 129–174. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-08-100037-3.00005-5
  3. Herrmann, A. S.; Virson, J. R. (Ed.) (1999). Design and Manufacture of Monolithic Sandwich Structures with Cellular Cares. Stockholm, 274.
  4. Slyvynskyi, V. I., Аlyamovskyi, А. I., Kondratjev, А. V., Kharchenko, М. Е. (2012). Carbon honeycomb plastic as light-weight and durable structural material. 63th International Astronautical Congress, 8, 6519–6529.
  5. Slyvyns’kyy, V., Slyvyns’kyy, M. et. al. (2006). New Concept for Weight Optimization of Launcher Nose Firings Made of Honeycomb Structures. 57th International Astronautical Congress. doi: https://doi.org/10.2514/6.iac-06-c2.p.1.11
  6. Ganguli, R. (2013). Optimal Design of Composite Structures: A Historical Review. Journal of the Indian Institute of Science, 93 (4), 557–570.
  7. Zheng, Q., Jiang, D., Huang, C., Shang, X., Ju, S. (2015). Analysis of failure loads and optimal design of composite lattice cylinder under axial compression. Composite Structures, 131, 885–894. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.06.047
  8. Smerdov, A. A. (2000). A computational study in optimum formulations of optimization problems on laminated cylindrical shells for buckling I. Shells under axial compression. Composites Science and Technology, 60 (11), 2057–2066. doi: https://doi.org/10.1016/s0266-3538(00)00102-0
  9. Smerdov, A. A. (2000). A computational study in optimum formulations of optimization problems on laminated cylindrical shells for buckling II. Shells under external pressure. Composites Science and Technology, 60 (11), 2067–2076. doi: https://doi.org/10.1016/s0266-3538(00)00103-2
  10. Totaro, G., Gürdal, Z. (2009). Optimal design of composite lattice shell structures for aerospace applications. Aerospace Science and Technology, 13 (4-5), 157–164. doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2008.09.001
  11. Totaro, G. (2013). Local buckling modelling of isogrid and anisogrid lattice cylindrical shells with hexagonal cells. Composite Structures, 95, 403–410. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.07.011
  12. Slyvyns’kyy, V., Slyvyns’kyy, M., Polyakov, N. et. al. (2008). Scientific fundamentals of efficient adhesive joint in honeycomb structures for aerospace applications. 59th International Astronautical Congress 2008.
  13. Vijayakumar, S. (2004). Parametric based design of CFRP honeycomb sandwich cylinder for a spacecraft. Composite Structures, 65 (1), 7–12. doi: https://doi.org/10.1016/s0263-8223(03)00176-4
  14. Karpov, Y. S., Gagauz, P. M. (2010). Structural optimization of composite panels under strength and stability restrictions. Strength of Materials, 42 (6), 631–636. doi: https://doi.org/10.1007/s11223-010-9251-z
  15. Slivinsky, M., Slivinsky, V., Gajdachuk, V., Gajdachuk, A., Kirichenko, V. (2004). New possibilities of creating efficient honeycomb structures for rockets and spacrafts. 55th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation, the International Academy of Astronautics, and the International Institute of Space Law. doi: https://doi.org/10.2514/6.iac-04-i.3.a.10
  16. Slyvyns’kyy, V., Gajdachuk, V., Gajdachuk, А., Slyvyns’ka, N. (2005). Weight Optimization of Honeycomb Structures. 56th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation, the International Academy of Astronautics, and the International Institute of Space Law. doi: https://doi.org/10.2514/6.iac-05-c2.3.07
  17. Gaydachuk, V., Koloskova, G. (2016). Mathematical modeling of strength of honeycomb panel for packing and packaging with regard to deviations in the filler parameters. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (1 (84)), 37–43. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.85853
  18. Mackerle, J. (2002). Finite element analyses of sandwich structures: a bibliography (1980–2001). Engineering Computations, 19 (2), 206–245. doi: https://doi.org/10.1108/02644400210419067
  19. Frulloni, E., Kenny, J. M., Conti, P., Torre, L. (2007). Experimental study and finite element analysis of the elastic instability of composite lattice structures for aeronautic applications. Composite Structures, 78 (4), 519–528. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2005.11.013
  20. Slyvyns’kyy, V., Gajdachuk, V., Kirichenko, V., Kondratiev, A. (2012). Basic parameters’ optimization concept for composite nose fairings of launchers. 62nd International Astronautical Congress, 9, 5701–5710.
  21. Vasiliev, V. V., Gurdal, Z. (Eds.) (1999). Optimal Design: Theory and Applications to Materials and Structures. CRC Press, 320.
  22. Xie, Y. (1996). Buckling optimization of hybrid-fiber multilayer-sandwich cylindrical shells under external lateral pressure. Composites Science and Technology, 56 (12), 1349–1353. doi: https://doi.org/10.1016/s0266-3538(96)00079-6
  23. Blyznychenko, V. V., Dzhur, Ye. O., Krasnikov, R. D.; Koniukhov, S. M. (Ed.) (2007). Proektuvannia i konstruiuvannia raket-nosiyiv. Dnipropetrovsk: Vyd-vo DNU, 504.
  24. Bulanov, I. M., Vorobey, V. V. (1998). Tekhnologiya raketnyh i aerokosmicheskih konstrukciy iz kompozicionnyh materialov. Moscow: MGTU im. N. E. Baumana, 516.
  25. Wang, Z.-W. (1997). The geometrically nonlinear theory of anisotropic sandwich shells faced with laminated composites. The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 50 (3), 349–378. doi: https://doi.org/10.1093/qjmam/50.3.349
  26. Ivanov, A. A., Kashin, S. M., Semenov, V. I. (2000). Novoe pokolenie sotovyh zapolniteley dlya aviacionno-kosmicheskoy tekhniki. Moscow, 436.
  27. Kondratiev, A., Prontsevych, O. (2018). Stabilization of physical-mechanical characteristics of honeycomb filler based on the adjustment of technological techniques for its fabrication. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (1 (95)), 71–77. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.143674
  28. Vasiliev, V. V., Morozov, E. V. (2007). Advanced Mechanics of Composite Materials. Elsevier. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-08-045372-9.x5000-3
  29. Gaidachuk, V. E., Kondratiev, A. V., Chesnokov, A. V. (2017). Changes in the Thermal and Dimensional Stability of the Structure of a Polymer Composite After Carbonization. Mechanics of Composite Materials, 52 (6), 799–806. doi: https://doi.org/10.1007/s11029-017-9631-6
  30. Kulaga, E. S., Olenin, I. G. (2006). Razrabotka golovnyh obtekateley iz kompozicionnyh materialov. Vozdushniy transport, 1, 418–436.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-01-22

Як цитувати

Kondratiev, A., & Gaidachuk, V. (2019). Оптимізація за масою сендвічевих оболонкових композитних конструкцій зі стільниковим заповнювачем. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(1), 24–33. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.154928

Номер

Том 1 № 1 (2019): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Виробничо-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Andrii Kondratiev, Vitaliy Gaidachuk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.