книги / Тезисы докладов XXVIII научно-технической конференции ПГТУ по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в 1991-1994 гг

Информационную основу системы составляет база данных "Компо­ зиты”. Она предназначена для ввода, хранения, удаления, обработки и выдачи систематизированной информации о композиционных материа­ лах (КМ) и оборудовании для изготовления и обработки КМ и конст­ рукций из них. Структура информации разделяет все сведения на сис­ тематизированные и общие, не поддающиеся датологическому описанию в рамках исходной концептуальной схемы. Общие сведения хранятся в виде набора текстовых и графических файлов, упорядоченного по ря­ ду признаков. Систематизированную информацию в базе данных пред­ ставляют два раздела: "Оборудование" и "Материалы". Раздел "Обо­ рудование" включает паспортные данные об оборудовании, используе­ мом на предприятиях данной отрасли, и соответствует разработанно­ му специалистами "Каталогу специализированного технологического оборудования".

Концептуальная схема базы данных построена в рамках реляци­ онной модели данных с использованием механизма индексирования.

Язык программирования - СBarton, , средства проектирования ВД -

CBar-Lofi Designer 2.0.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундамен­ тальных исследований (проект 94-01-00907-в).

УДК 539.3:539.4:678.067

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НЕЛИНЕЙНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

В.Э.Вильдеман, студент А.В.Зайцев

Исчерпание несущей способности неоднородных сред является ре­ зультатом накопления повреждений на различных структурных уровнях. Процессы структурного разрушения являются одной из причин реализа­ ции ниспадающей ветви на диаграммах деформирования.

Неоднородная среда моделировалась совокупностью элементов структуры, каждый из которых ассоциирован с тетраэдральным конеч­ ным элементом. Случайные прочностные структурные константы описы­ вались трехпарНме^рическим распределением Вейбулла.Напряженно-де­ формированное состояние (НДС) элементов определялось из решения трехмерной задачи методом конечных элементов для представительного объема в виде кубА. Оценка прочности структурных элементов осутцест

влялась с использованием двух критериев, позволяющих разделить механизмы потери сопротивления формоизменению и увеличению объе­ ма. Состояния неоднородной среды, соответствующие частичной или полной потере несущей способности элемента, учитывались в опре­ деляющих соотношениях.

Для различных произвольно заданных макрооднородных НДС ус­ тановлено, что процессы накопления повреждений протекают в рав­ новесном режиме, диаграммы деформирования имеют ниспадающие вет­ ви. При исследовании механического поведения среды обнаружены признаки деформационной анизотропии. Статистические характерис­ тики прочности элементов структуры предопределяют наклон ниспа­ дающих ветвей. С уменьшением степени неоднородности материал становится более хрупким: при меньших степенях повревденности достигается предел прочности и происходит потеря несущей способ­ ности. Проанализированы предельные состояния, в которых струк­ турное разрушение приобретает лавинообразный характер. Показано, что возможна стабилизация этого процесса. Площадь под равновес­ ной диаграммой на закритической стадии деформирования может рас­ сматриваться как характеристика вязкости разрушения для неодно­ родной среды.

УДК 539.3:539.4:678.067

АНАЛИЗ НДС В ПЛОСКОЙ ЗАДАЧЕ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ ДЛЯ КОНСТРУКЦИИ ИЗ 3-Л) ОРТОГОНАЛЬНО-АРМИРОВАННЫХ УУКМ

С.Г.Иванов, студент И.Н.Рочев

На конструкцию из 3-J) ортогонально-армированного утлеродуглеродного композиционного материала (УУКМ) действуют силовая (внутреннее давление) и температурная нагрузки - температурное поле в определенный момент времени. Для расчета использованы экс­ периментальные зависимости термомеханических характеристик мате­ риала (модулей упругости, пределов прочности, коэффициента линей­ ного температурного расширения) от температуры.

Внешняя поверхность рассматриваемого тела вращения из УУКМ контактирует со слоем теплозащитного покрытия, предохраняющего титановую оболочку от перегрева. Для решения термоупрутой задачи был использован метод конечных элементов. Несмотря на осевую

симметрию детали, рассчитывать ее как осесимметричную нельзя, так как рассматриваемый УУКМ не изотропен в плоскости ее поперечного сечения. Считается, что в сечениях выполняется условие плоской деформации.

По результатам расчета строились изолинии полей напряжений в слое УУКМ. Для оценки несущей способности более информативным оказался анализ не самих напряжений, а их отношений к прочностям

в соответствующих направлениях с учетом изменения этих прочностей с температурой и температуры в данной точке.

Для построения изолиний относительных напряжений на экране дисплея была создана программа, использующая информацию, формиру­ ющуюся в результате работы программы МКЭ: координаты узлов плос­ кой области, номера этих узлов и их связь по элементам, а также значения величины данного компонента напряжения в каждом конечном элементе. В процессе работы программы происходит вычисление значе­ ний относительных напряжений в узлах. Значения изолиний выбираются с равным шагом между минимальным и максимальным узловым значением величины. Имеется возможность передвижения и изменения в размерах полученного рисунка на экране дисплея.

УДК 539.3:678.076

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЖЕСТКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОИСТЫХ И ОРЕЕРЕННЫХ ОБОЛОЧЕК

А.Г.Котов

Различные варианты теории оболочек, базирующихся на системе единых кинематических и (или) статических гипотез для пакета слоев в целом, являются по-прежнему наиболее эффективным и распространен ным инструментарием при расчете тонкостенных конструкций. Использу емые при этом традиционные методы осреднения жесткостных характе­ ристик слоев дают верхнюю оценку эффективных параметров жесткости оболочки. Очевидно, такой подход является менее обоснованным в том случае, когда в пакете сочетаются слои с существенно различными свойствами, и некорректным для расчета оребренных оболочек.

Предлагаемая методика численного расчета эффективных жесткост ных параметров оболочки основывается на принципе эквивалентной го

могенности и сводится к решению ряда краевых задач механики струк­ турно-неоднородного материала. Для оболочек, подкрепленных систе­ мой ребер, образующих периодическую структуру, в качестве предста­ вительного объема рассматривается область размером 3x3 ячеек пери­ одичности. Расчет деформирования осуществляется методом конечных элементов. При этом для каждого вида нагружения вычисляется чис­

близкое к точному.

При исследовании осесимметричной деформации слоистых и оребренных оболочек в рамках классической гипотезы Тимошенко необходи­ мо определить II эффективных жесткостных параметров. Для этого рас­ сматриваются 5 простейших видов нагружения (растяжение, чистый из­ гиб и поперечный сдвиг) и их комбинации. В результате получаем сис­ тему из II уравнений относительно коэффициентов жесткости. Причем 7 констант можно найти из решения плоской краевой задачи теории упругости неоднородного материала, а 4 коэффициента, связанные с взаимным влиянием растяжения и изгиба, - из объемной задачи.

Работа выполнена в рамках гранта по фундаментальным исследова­ ниям в области транспортных наук (проект № 95-5.1-39).

УДК 621.791:620.193

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, СТОЙКИХ В СРЕДЕ СЕРОВОДОРОДА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

А.А.Силаев

Выполнен комплекс экспериментальных исследований стойкости к сероводородному разрушению сварных соединений металлоконструкций буровой техники. Этот комплекс включает:

- исследование коррозионной стойкости под напряжением сварных соединений сероводородостойкой стали, выполненных различными спосо­ бами сварки (ручная дуговая, механизированная, автоматическая);

-анализ влияния технологии сварки на коррозионную стойкость;

-анализ влияния химического состава, структуры и формы свар­ ного соединения на механизм коррозионного разрушения во влажных сероводородных средах.

САПР работает по следующей схеме: по данным, полученным по известным методикам пункта I, вычисляется геометрия выкроек и элементов ортезов, затем вычерчиваются исходные чертежи.

Требования к аппаратному и программному обеспечению:

1.Компьютер типа РС-АТ 286.

2.Принтер (плоттер).

3.ПакетДг^й?-САЬ , версии 9.0 и выше.

Приводится пример проектирования спинного и коленного орте­

зов.

УДК 539.3

МОДЕЛЬ ВЯЗКОУПРУГОГО ПОВЕДЕНИЯ ПЛАСТИФИЦИРОВАННЫХ ЭЛАСТОМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Л.А.Свисткова

Рассмотрена математическая модель поведения эластомерных ма­ териалов. Их характерной особенностью является способность к боль­ шим обратимым деформациям (достигающим 700 и более процентов). Кроме того, указанные материалы могут содержать в больших коли­ чествах жидкие компоненты-пластификаторы (достигающие 60 и более процентов от объема системы полимер - растворитель). Учет этих особенностей особенно важен при решении технологических задач.

Использование теории линейной вязкоупругости применительно к рассматриваемым системам приводит к серьезным трудностям при решении задач с неоднородными полями температур и концентрациями

жидкого компонента (связанными с необходимостью учета всей исто­ рии нагружения, изменения температуры и концентрации пластифика­ тора).

Предложено описывать поведение пластифицированных эластомер­ ных материалов моделью дифференциального типа сложности. В рам­ ках этой модели временные релаксационные переходы системы фикси­ руются специальными релаксационными параметрами, являющимися соб­ ственными значениями тензора релаксации. Изменение тензора релак­ сации во времени (с учетом особенностей нагружения среды) опре­ деляется уравнением, выведенным из требования непротиворечивости первому и второму законам термодинамики.

Рассмотрены примеры использования модели для анализа поведе­ ния пластифицированных эластомерных образцов в условиях релакса­ ции напряжений, растяжения материала с постоянной скоростью дви­ жения захватов, в условиях одноосного сжатия, нагружения по гар­ моническому и трапецеидальному закону. Обнаружено удовлетвори­ тельное соответствие экспериментальным данным.

цесса изготовления композитов. Преимущества квазипериодических мо­

Представлены аналитические зависимости для расчета коэффици­ ентов периодичности трех типов: коэффициенты первого типа учитыва­ ют Лйшь смещения центров включений от узлов периодической решетки без Искажения их формы, коэффициенты второго типа учитывают лишь статистический разброс формы включений, а коэффициенты третьего типа комплексно учитывают как случайные смещения центров, так и статистический разброс формы включений. Рассмотрены квазипериоди-

тей Коэффициентов периодичности от величины относительного объем­ ного содержания включений.

Приведены результаты прогнозирования в обобщенном сингулярном приближении метода периодических составляющих эффективных анизо­ тропных упругих свойств квазипериодических волокнистых и гранули­

рованных композитов с использованием соответствующих коэффициен­ тов периодичности. Отмечены структуры, для которых влияние разупорядоченности включений на эффективные упругие свойства компо­ зита наиболее значительно.’ Представлено сравнение с известными численными результатами*

УДК 539.3

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ УПРУГИХ свойств КОМПОЗИТОВ СО СЛУЧАЙНЫМИ СТРУКТУРАМИ ОБОБЩЕННЫМ МЕТОДОМ САМОСОГЛАСОВАННА

А.А.Панъков

Получено решение задачи прогнозирования эффективных упругих свойств композитов со случайными структурами обобщенным методом самосогласования, отличие которого от известных методов стохасти­ ческой механики состоит в том, что необходимую (для вычисления тензора эффективных упругих свойств композита) осредненную по включениям деформацию становится возможным определить из решения вспомогательной Усредненной” краевой задачи. Представлено мате­ матическое обоснование функциональной зависимости коэффициентов дифференциального оператора осредненной краевой задачи от упругих свойств матрицы и включений, от искомых эффективных упругих свойств композита и от условных одноточечных моментов, которые учитывают реальное расположение включений в случайной структуре композита. В предельных случаях для полидисперсных структур раз­ ных видов обобщенный метод самосогласования совпадает с известны­ ми методами самосогласования.

Рассмотрен случай статистически изотропного распределения с различными степенями наполнения круговых включений на плоскости, когда упругие свойства включений и матрицы изотропны. Осредненная краевая задача представляла собой задачу теории упругости об оди­ ночном включении в неограниченной среде с искомыми эффективными упругими свойствами композита и с наличием вблизи этого включения осесимметричного упругого переходного слоя, учитывающего "ближ­ ний" порядок взаимного распределения включений. Представлено срав­ нение полученных результатов прогнозирования эффективных упругих

свойств композита с известными численными результатами: граница­ ми Хашина - Штрикмана, решений Хилла и метода самосогласованна для полидисперсных структур.

УДК 539.3:539.4:678.067

ТЕРМОМЕХАНИЧВСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПОЛОГО ЦИЛИНДРА ИЗ УУКМ О 0СЕСИШ4ЕТРИЧНСЙ СХЕМОЙ АРМИРОВАНИЯ

ПРИ СИЛОВОМ И -НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

С.Г.Иванов, студент А.Д.Бабин

Вработе рассматривается бесконечный полый цилиндр из УУКМ

сосесимметричной схемой*армирования типа звезда , служащий математической моделью вкладышей сопловых блоков ракетных дви­ гателей. Цель работы - анализ термомеханического поведения тако­ го цилиндра при осесимметричном силовом и нестационарном темпе­ ратурном воздействии с учетом выгорания материала цилиндра. Та­ кой анализ необходим для оценки несущей способности конструкции. Поставленная задача решалась методом конечных элементов. Использовались одномерные конечные элементы в виде колец. Объем­ ное содержание арматуры в пределах кавдого кольца считалось по­

стоянной величиной, изменяющейся при переходе' от одного элемента к другому. При моделировании процесса нагрева цилиндра учитыва­ лось, что теплофизические и механические свойства УУКМ зависят от температуры. Для исследования процесса нагрева цилиндра во времени под воздействием подвижного теплоносителя с учетом выго­ рания углеродного материала использовалось временное рекуррент­ ное соотношение, позволяющее по вычисленному температурному по­ лю в некоторый момент‘времени вычислять температурное поле в следующий момент времени. Затем, решая задачу термоупругости, по­ лучали НДС в конечных элементах.

В результате была разработана методика анализа термомехани­ ческого поведения осесимметричного тела из УУКМ сложной структу­ ры, позволяющая отслеживать процессы деформирования, накопления повреждений с течением времени и оценивать несущую способность данной конструкции с учетом уноса материала с внутренней поверх­

ности и прогнозируемых зависимостей теплофизических и механичес­ ких величин от температуры и координаты.

Данная работа выполнена во многом благодаря гранту Госком­ вуза по фундаментальным исследованиям технологических проблем авиастроения и космической техники.

УДК 539

ПР0Ш03ИР0ВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ФЛАНЦЕВ КОМПОЗИТНЫХ УЗЛОВ

В.Е.Шавшуков, А.Н.Аношкин, студент А.М.Грицевич

Использование в узлах стыка составных* тонкостенных оболочек фланцев из композиционных материалов приводит к существенному снижению веса конструкции. В настоящей работе рассматриваются фланцы кожуха авиационного двигателя, изготовленные из различно ориентированных слоев карбо- и стеклопрепрегов. Ставится задача расчета напряженно-деформированного состояния и оценки статичес­ кой прочности в слоях препрегов при заданных параметрах осевой внешней нагрузки. Осесимметричная задача теории упругости реша­ ется с помощью МКЭ. Разработан программный комплекс, включающий в себя блок автоматической триангуляции фланца в соответствии со схемой укладки, блок расчета и блок анализа НДС в сложс. В пре­ делах конечного элемента возможно объединение двух или более слоев.

Оценка статической прочности слоев проводится с использова­ нием критерия максимальных напряжений и модифицированного крите­ рия Хилла. При этом для элементов, объединяющих несколько слоев препрегов, производится переход от напряжений слоистого пакета к напряжениям в слоях. Оценка усталостной прочности проводится

по критерию Коффина. Для двух фланцев различной конфигурации рас­ считаны поля напряжений и деформаций, построены эпюры напряжений в различных сечениях. Запасы статической прочности фланца при заданной нагрузке, вычисленные по критерию максимальных напряже­ ний, составили 4,5-5,0, что совпадает с инженерной оценкой при проектировании фланца. Однако используемый метод дает иное рас­ положение наиболее нагруженных областей конструкции и позволяет