Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2016

Рис. 1. Распределение напряжений в двухконсольной балке с заданной начальной трещиной

Рис. 2. Зависимость нагрузка – перемещение раскрытия трещины

Полученные результаты позволяют определить момент зарождения дефекта на границе раздела волокно–матрица или в межволоконном матричном пространстве (поперечный рост дефекта), закономерности его развития в зависимости от свойств компонентов, входящих в состав композита, и прилагаемой нагрузки. Результаты расчетов с помощью 3D-модели хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований.

Список литературы

1. Barenblatt G.I. The mathematical theory of equilibrium cracks in brittle fracture // Advances in Applied Mechanics. – 1962. – Vol. 7. – P. 55–129.

111

2.Новиков Г.В., Бабаевский П.Г., Салиенко Н.В. Метод когезионной зоны в оценке межслоевой трещиностойкости слоистых композитов // XLII Гагаринские чтения. – 2016. – Т. 3. –

С. 481–482.

3.Mohammed Waseem H.S., Kiran Kumar N. Finite element modeling for delamination analysis of double cantilever beam specimen // SSRG International Journal of Mechanical Engineering (SSRG-IJME). – 2014. – Vol. 1, is. 5. – P. 27–33.

УДК 534.64:534.833.532

О ВЛИЯНИИ ДЕФЕКТОВ В ОБРАЗЦАХ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХСЯ КОНСТРУКЦИЙ НА ИХ АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

О.Ю. Кустов, И.Н. Лапин, В.В. Пальчиковский

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

KustovOU@yandex.ru

Созданы образцы звукопоглощающих конструкций с возможными технологическими дефектами на базе стандартного размера сотовой ячейки и пластины со степенью перфорации 7 %. На интерферометре с нормальным падением волн проведены сравнительные испытания нормальных и дефектных образцов. Выполнена оценка влияния дефектов на звукопоглощающие характеристики образцов.

Ключевые слова: звукопоглощающие конструкции, резонатор, дефект, степень перфорации, интерферометр, акустические характеристики.

Одним из основных источников шума самолета является вентилятор авиационного двигателя. Для подавления этого шума стенки каналов двигателя облицовываются звукопоглощающими конструкциями (ЗПК). При разработке ЗПК применяются как численное моделирование [1–3], так и экспериментальные исследования [4, 5]. В численном моделировании используются ЗПК с идеальными геометрическими параметрами резонаторов, однако изготовление реальных образцов для экспериментальных иссле-

112

дований имеет ряд сложностей. Одна из таких проблем – склеивание «сэндвича» из жесткой стенки, соты и перфорированной пластины. Большие объемы вспененного клея после автоклавного спекания попадают в полость ячейки (рис. 1). Такие ЗПК могут отличаться по акустическим характеристикам от рассчитанных конструкций из-за изменения объема ячейки, разной жесткости материала соты и клея и из-за заполнения клеевой основой части отверстий перфорированной пластины. Таким образом, необходимо исследовать влияние данных факторов на конечные звукопоглощающие характеристики создаваемых ЗПК.

Рис. 1. Образец панели ЗПК

Для проведения экспериментальных исследований влияния возможных дефектов были созданы сотовые однослойные образцы (рис. 2) с моделями дефектов в виде пузырей клея и капель пластилина разных объемов. Сравнение проводилось со стандартной сотой из стеклопластика. Образцы накрывались перфорированной пластиной из композита.

Рис. 2. Испытуемые образцы: а – стандартный; б – с дефектами из клея; в – с дефектами из пластилина

Испытания проводились в интерферометре с нормальным падением волн [5] в частотном диапазоне 500–6400 Гц с уровнями акустического давления 100 и 140 дБ. На рис. 3 представлены

113

полученные зависимости коэффициента звукопоглощения α от частоты f для вариантов исследованных образцов.

Рис. 3. Коэффициент звукопоглощения для вариантов образцов: 1 – стандартный на 100 дБ, перфорация из композита;

2 – образец с клеем на 100 дБ; 3 – образец с пластилином на 100 дБ; 4 – стандартный на 140 дБ; 5 – образец с клеем на 140 дБ;

6 – образец с пластилином на 140 дБ

Как видно, коэффициент звукопоглощения α может существенно отличаться в зависимости от дефектов образца. Отличие положения резонансных частот можно объяснить разной жесткостью дефектов (пузырей и капель), а также изменением внутреннего объема резонаторов. Смоделированный дефект на пластине перфорации также дал существенные изменения по α и импедансу в целом.

Таким образом, метод моделирования дефектов образцов ЗПК может использоваться как на этапе экспериментальных исследований акустических свойств, так и для выдачи рекомендаций в плане технологического процесса изготовления.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта правительства РФ по постановлению № 220 «О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшегопрофессиональногообразования» подоговору№14.Z50.31.0032.

114

Список литературы

1.Self-sustained oscillations in a Helmholtz-like resonator. Part

II:Detailed flow measurements and numerical simulations [Элек-

2.Определение импеданса резонатора Гельмгольца с помощью численного моделирования / О.Ю. Кустов, А.А. Синер, Е.С. Федотов, И.В. Храмцов // Вычислительный эксперимент в аэроакустике: шестая всерос. конф. – М.: ИПМ им. М.В. Келды-

ша, 2016. – С. 186–188.

3.Федотов Е.С., Пальчиковский В.В. Исследование работы резонатора Гельмгольца в волноводе прямоугольного сечения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2014. –

№38. – С. 107–126.

4.Сравнение импеданса ЗПК, полученного по результатам измерений на двух различных установках с использованием ма-

лого числа микрофонов / А.Ф. Соболев, Н.Н. Остриков, А.Н. Аношкин, В.В. Пальчиковский, Р.В. Бурдаков, М.С. Ипатов, М.Н. Остроумов, М.А. Яковец // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2016. – № 45. – С. 89–113.

5. Кустов О.Ю., Пальчиковский В.В. Интерферометр для высоких уровней акустического давления // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. – 2015. – Т. 1. –

С. 157–160.

115

УДК 533.697

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛАСТИЧНОГО ОПОРНОГО ШАРНИРА ПОВОРОТНОГО УПРАВЛЯЮЩЕГО СОПЛА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS WORKBENCH А.Н. Ощепков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

adjargan@mail.ru

Эластичный шарнир представляет собой кольцевой пакет из последовательно чередующихся концентрических сферических взаимосвязанных эластичных и жестких колец (тарелей), который обеспечивает пространственное отклонение сопла за счет упругих деформаций (сдвига) элементов из эластомера.

Недостатком эластичного шарнира (ЭОШ) является большой шарнирный момент. Как элемент подвеса ЭОШ работоспособен в определенном диапазоне температур, близких к нормальным. Существенна зависимость шарнирного момента от типа эластомера, времени и условий хранения.

Ключевые слова: эластичный опорный шарнир, поворотное сопло, ракетный двигатель твердого топлива, системы управления вектором тяги, эластомерные конструкции, шарнирный момент, дестабилизирующий момент, центр поворота, армирующие тарели, угол отклонения, сопловой блок, ANSYS Workbench, твердотельное моделирование, напряженно-дефор- мированное состояние.

Поворотное управляющее сопло с эластичным опорным шарниром является одним из самых распространенных и эффективных типов поворотных сопел. Основными его достоинствами являются простота конструкции шарнирной подвески, отсутствие трения скольжения, что улучшает динамические характеристики органа управления; меньшая по сравнению с другими конструкциями масса сопла и высокая надежность. К недостаткам следует отнести увеличение позиционной составляющей суммарного шарнирного момента пропорционально росту угла отклонения

116

поворотного сопла, существенную зависимость шарнирного момента от типа эластомера, а также от условий и продолжительности хранения или боевой эксплуатации изделий (температурновременная зависимость моментных характеристик поворотного сопла (ПУС)) [1, 2].

Из-за сложности расчетов эластомерных конструкций, к таким относится эластичный шарнир (ЭОШ), на данный момент не существует инженерных методик, учитывающих работу вязкоупругого материала эластомера в составе двигательной установки. Кроме этого, трудно качественно оценить поведение слоев эластомера под действиемкамерногодавленияиусилиярулевоймашины.

Нами было произведено моделирование напряженнодеформированного состояния эластичного шарнира в пакете ANSYS Workbench, основанное на расчете методом конечных элементов (рисунок).

Рис. Схема проведения расчета в пакете ANSYS Workbench

Можно рассматривать ЭОШ как систему последовательно соединенных пружин. Альтернативно слои эластомера, при условии падения угловой жесткости, представляют собой гидростатическую среду, а рост позиционной составляющей шарнирного момента вызван возникновением в слоях эффекта гидростатического клина, сопряженного с соответствующими деформациями армирующих тарелей.

117

Если предположить по аналогии с резиновыми опорами, что слои резины и арматуры эластичного шарнира представляют собой гидростатическую среду, в которой давление передается как в жидкости, то при повороте эластичного шарнира также образуется гидростатический клин с углом δ, соответствующим углу поворота [3].

Привыполненииработыбылиполученыследующиевыводы:

1.ПУС с ЭОШ, широко применяемое в современных ракетных двигателях твердого топлива для управления вектором тяги, отличается значительной величиной позиционного шарнирного момента, что предъявляет высокие требования к мощности и усилию рулевой машины.

2.Известными испытаниями установлено, что позиционный шарнирный момент зависит от камерного давления так, что с увеличением давления позиционный компонент шарнирного момента уменьшается, вплоть до потери устойчивости управления.

3.Уменьшение позиционного шарнирного момента связано

споявлением позиционного дестабилизирующего момента, причины которого связаны с появлением так называемого гидростатического клина в пакете ЭОШ.

4.Построением в ANSYS Workbench модели ЭОШ, имитирующей работу реального шарнира, подтверждено появление гидростатического клина при отклонении под действием рулевой машины.

5.С использованием численного анализа результатов расчетов, проведенных с моделью ЭОШ в ANSYS Workbench, предложена методика оценки угла гидростатического клина и дестабилизирующего момента.

6.Проведенное исследование работы ЭОШ в ANSYS Workbench показывает целесообразность применения такого подхода для качественного проектирования ПУС с ЭОШ.

Список литературы

1.Голубенко Н.С. Органы управления вектором тяги РДТТ. – М.: Машиностроение, 1971. – 380 с.

2.Мальков В.М. Механика многослойных эластомерных конструкций. – СПб., 1998. – 238 с.

3.Антонов Р.В., Гребенкин В.И. Органы управления вектором тяги твердотопливных ракет. – М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2006. – 552 с.

118

УДК 546.27:536.46

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОГО БОРА В ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Г.Ф. Юсупова1, 2, Т.А. Чапко1, А.С. Бабушкина1, Е.Л. Опутина1, В.Г. Федоров1

1Научно-исследовательский институт полимерных материалов,

2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

gulnazyusupova93@mail.ru

При создании высокоэнергетических конденсированных систем на основе бора актуальным вопросом является оценка их полноты сгорания. Данная статья посвящена оценке полноты сгорания высокоэнергетических конденсированных систем с использованием такой характеристики, как активный бор.

Ключевые слова: высокоэнергетические конденсированные системы (ВЭКС), продукты сгорания, активный бор.

В настоящее время на предприятии разрабатывается технология создания высокоэнергетических конденсированных систем (ВЭКС) на основе бора. Бор – весьма эффективное горючее, так как характеризуется высоким тепловым эффектом образования оксида и имеет высокую плотность, поэтому введение его в состав приводит прежде всего к улучшению эксплуатационных свойств ВЭКС.

Одной из характеристик, позволяющих оценить полноту сгорания ВЭКС на основе бора, является количественное содержание активного бора, который остался после сгорания такой системы. Следует отметить, что ранее определению активного бора в продуктах сгорания ВЭКС не уделялось должного внимания и методики определения содержания активного бора в конденсированных продуктах сгорания не было.

Цель настоящей работы заключалась в разработке методики определения активного бора в продуктах сгорания ВЭКС.

119

Поскольку в состав продуктов сгорания ВЭКС кроме активного бора входят и другие борсодержащие соединения, то необходимо было подобрать условия для селективного выделения активного бора. Проблема была решена путем использования горячей концентрированной азотной кислоты, которая взаимодействует только с активным бором [1, 2].

Для количественного определения содержания активного бора был использован метод кислотно-основного титрования. Разработана методика, которая основана на взаимодействии горячей концентрированной азотной кислоты с пробой, в результате чего образуется эквивалентное количество борной кислоты, которое оттитровывается водным раствором щелочи в присутствии фенолфталеина в качестве индикатора [3]:

B + 3HNO3 = H3BO3 + 3NO2,

H3BO3 + NaOH = NaBO2 + 2Н2О.

При выбранных оптимальных условиях методика позволяет определять содержание активного бора в продуктах сгорания ВЭКС от 5 до 45 %. Относительная погрешность определения при доверительной вероятности Р = 0,95 составляет ±10 %.

Разработанная селективная методика актуальна, позволяет определять активный бор в присутствии других борсодержащих соединений. Методика рекомендована для оценки полноты сгорания высокоэнергетических конденсированных систем.

Список литературы

1.Анализ бора и его неорганических соединений / М.Г. Васильева, В.М. Лалыкина, Л.А. Махарашвили, А.Л. Соколова, В.И. Сойфер, Н.Г. Цкирия. – М.: Атомиздат, 1965. – 267 с.

2.Немодрук А.А., Каралова З.Н. Аналитическая химия бо-

ра. – М.: Наука, 1964. – 283 с.

3.Основы аналитической химии. Кн. 1 / под ред. Ю.А. Золотова. – М.: Высшая школа, 2004. – 359 с.

120