Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных д
..pdf(2.28), в которых вместо констант S? использовались пределы усталостной
прочности 5,у. Зависимость 5* от числа циклов нагружения Nt описывалось
степенной функцией (критерием Коффина)
4 = 4 Л Й,/ |
(2 3 0 ) |
Константы АцВу для каждого вида нагружения находились по двум точкам:
первая - минимальная по модулю статическая прочность S~ = |
\S^ j] и |
= Sfj(i* j) при N*=1/4, вторая - предел выносливости S;y = Sfj при базовом
числе испытаний Nf,=Nc. Подставляя (2.30) в (2.25) и (2.28), можно получить не
линейное уравнение относительно N* , решая которое находится число циклов до разрушения каждого слоя. Минимальное значение А^ для всех элементов оп ределяет ресурс работы конструкции до первого акта разрушения. Значения пре делов усталостной выносливости для материалов слоев принимались на основе аппроксимации экспериментальных данных работ [6, 7, 18, 19, 23, 27, 28, 29] и приведены для базового числа циклов нагружения Nc=108 в табл.2.2.
Таблица 2.2
Пределы статической прочности (I) и усталостной выносливости ( П, на базе 108циклов) материалов слоев при простых видах нагружения *, МПа
Вид нагру |
Тканый стеклопла |
Однонаправленный |
Однонаправленный |
|||
жения Sy |
|
стик |
углепластик |
стеклопластик |
||
|
I |
II |
I |
П |
I |
П |
s „ |
41 0 |
84 |
1047 |
186 |
1400 |
186 |
|
320 |
48 |
724 |
|
724 |
|
S22 |
230 |
44 |
10 |
35 |
10 |
|
|
120 |
8 |
128 |
8 |
100 |
|
S33 |
44 |
44 |
35 |
10 |
||
|
128 |
|
128 |
|
100 |
|
S12 |
150 |
40 |
74 |
18 |
65 |
18 |
S13 |
70 |
18 |
74 |
18 |
65 |
18 |
S23 |
70 |
18 |
50 |
11 |
35 |
11 |
* В числителе — предел прочности на растяжение, в знаменателе — на сжатие.
п а х
О 10МП a
П1
III
Рис. 3.2. Эпюры осевых напряжении для фланца силового корпуса:
F, М. S — наиболее опасные точки по модифицированному критерию Хилла, критерию максимальных напряжений и критерию усталостного
разрушения
Напряжения в слоях элемента с наибольшими радиальными напряжениями, МПа
Номер слоя |
Материал слоя |
Ориентация слоя |
°гг |
CTzz |
а вв |
О’гг |
|
1 |
Стеклопластик |
г - основа |
13,1 |
1,1 |
1,8 |
-4,0 |
|
|
|
в |
- уток |
|
|
|
|
2 |
Углепластик |
в |
- волокно |
3,9 |
и |
-2,9 |
-4,0 |
3 |
Углепластик |
г - волокно |
64,8 |
и |
1,2 |
-4,0 |
Таблица 3.2
Напряжения в слоях элемента с наибольшими осевыми напряжениями, МПа
Номер слоя |
Материал слоя |
Ориентация слоя |
|
CTzz |
а в$ |
-6,0 |
|
1 |
Стеклопластик |
z - основа |
9,5 |
25,1 |
7,5 |
||
|
|
в |
- уток |
|
|
|
|
2 |
Углепластик |
в |
- волокно |
9,5 |
8,6 |
2,1 |
-6,0 |
3 |
Углепластик |
Z - волокно |
9,5 |
106,9 |
4,6 |
-6,0 |
Таблица 3.3
Напряжения в слоях элемента с наибольшими межслойными напряжениями, МПа
Номер слоя |
Материал слоя |
Ориентация слоя |
<?ГГ CTzz |
°вв |
|
|
1 |
Стеклопластик |
z - основа |
1,6 |
6,5 |
0,64 |
7,4 |
|
Углепластик |
в - уток |
|
30,5 |
0,62 |
7,4 |
2 |
Z- волокно |
1,6 |
||||
3 |
Углепластик |
в - волокно |
1,6 |
2,1 |
-6,2 |
7,4 |
Таблица 3.4
Напряжения в слоях элемента с наибольшими окружными напряжениями, МПа
Номер слоя |
Материал слоя |
Ориентация слоя |
Сгг |
CTzz |
а вв |
°гг |
|
1 |
Стеклопластик |
z - основа |
-0,28 |
-0,81 |
4 8 |
-0,4 |
|
|
|
в |
- уток |
|
|
|
|
2 |
Углепластик |
в |
- волокно |
-0,28 |
-0,58 |
-31,9 |
-0,4 |
Рис. 3.1. Эпюры радиальных напряжений для фланца силового корпуса:
F, М, S — наиболее опасные точки по модифицированному критерию Хилла, критерию максимальных напряжений и критерию усталостного
разрушения
3 2
Рис. £ 3. Эпюры напряжений в сечениях фланца силового корпуса (см. рис. 2.1) а —
сечение 1-1,5 — сечение П-П. 1 — радиальные напряжения (Хг, 2 — окружные напря жения (Тее, 3 — осевые напряжения <7п , 4 — сдвиговые напряжения СТп
Оценка статической прочности фланца осуществлялась по значениям на пряжений в слоях стекло- и углепластиков. Критерий максимальных напряже ний (2.25) показывает, что разрушения не происходит и позволяет оценить запас прочности слоев по различным составляющим напряженного состояния (2.26) Для стеклопластика запас прочности по напряжениям вдоль основы составляет пп =L6, вдоль утка п22=31, в поперечном направлении п33=4,7, по сдвиговым напряжениям п13=9,4. Для слоев углепластика запас прочности по напряжениям вдоль волокон составляет /tyу =9,8, в поперечном направлении п22 =4,7, по сдви говым напряжениям п23=6,7. Таким образом, запас кратковременной статиче
ской прочности конструкции по критерию максимальных напряжений (2.27, л=4,7 и обуславливается уровнем поперечных напряжений в слоях стекло- и уг лепластиков.
Рис. 3.4. Эпюры напряжении в сечениях фланца силового корпуса (см. рис.2.1): а - сече ние Ш-Ш. б - сечение IV-IV, в - сечение V-V У— окружные напряжения С ев. 2 - осе
вые напряжения С ~, 3 - сдвиговые напряжения 4 - радиальные напряжения С^
Максимальные значения критерия прочности Хилла (2.28), учитывающего сложное напряженное состояние, для слоев стеклопластика Фа = -0,936, а для слоев углепластика Ф^. = -0,969. Таким образом, условие прочности (2.28) вы полняется с запасом. Расположение элементов с максимальными значениями Фд. для слоев стекло- и углепластиков показано на рис.3.1, 3.2 точками E,F со ответственно. Напряжения в слоях (z —основа и в —уток) элемента с максималь ным значением Фст =-0,936 для стеклопластика следующее, МПа <7^ =-18,5; стц
=-3,1; GQQ=0,3; ап =0,9 Значения напряжений в слоях элемента с максималь
ным значением Фа =-0,969 для углепластика приведены в табл.3.5.
Таблица 3.5 Напряжения в слоях элемента (МПа) с максимальным значением Фа
для углепластика
Номер |
Материал слоя |
Ориентация слоя |
|
<Jzz |
°вв |
°rz |
Ф . |
слоя |
Углепластик |
z - волокно |
2,7 |
|
8,1 |
- -5,9 |
-0,975 |
1 |
2,1 |
||||||
2 |
Углепластик |
0- волокно |
-3,5 |
2,3 |
8,1 |
-5,9 |
-0,969 |
Предварительная оценка ресурса работы фланца проводилась по крите рию наислабейшего звена с использованием соотношений (2.28)-(2.30), ампли туда циклической нагрузки равнялась статической. В результате анализа напря женного состояния получено, что для слоев стеклопластика наименьшее число циклов до разрушения составило 9,433-107, а для слоев углепластика - 3,911-107 Точки, соответствующие возникновению усталостного разрушения, показаны на рис. 3.1, 3.2? Таким образом, в качестве предварительной оценки ресурса данно го фланца можно принять величину 3,91 МО7 циклов нагружения.
Используя соотношения (2.24), по найденному значению числа циклов до разрушения N(1) при симметричной циклической нагрузке с амплитудой, равной максимальной статической, можно определить число циклов до разрушения при нагрузках вследствие разбалансировки и воздействия турбулентных воздушных потоков — N*2) » 9,5 1011 циклов нагружения. Полученные оценки свидетельст
вуют, что фланец силового корпуса имеет значительный ресурс работы, превы шающий ожидаемое число циклов нагружения для всех видов переменных на грузок.
3.2. Фланец корпуса подвесок со звукопоглощающим контуром
Общий вид и схема армирования фланца корпуса подвесок со звукопо глощающим контуром показаны на рис.2.2. В отличие от фланца силового кор пуса в данной конструкции отсутствуют слои углепластика, однако имеется зона кольцевой подмотки однонаправленным стеклоровингом РВМН-10. Инерцион ная нагрузка, обусловленная весом сопла с учетом заданной перегрузки 5,33g , и
38
отрывающая сила газовой струи, действующие на фланцевое соединение, приводились к эквивалентной сосредоточенной силе Р= 92 461 Н (9349 кГс) [11, 25]. Соответствующая распределенная нагрузка р на поверхности St (см.
рис.2.4,б) равнялась 4,42 МПа. Размер площадки свободного опирания на левом торце фланца (см. рис. 2.4) равнялся 16 мм. Значения технических упругих постоянных и пределы прочности при простых видах нагружения для материалов слоев фланца приведены в табл.2.1, 2.2.
Расчет НДС фланца проводился на сетке конечных элементов, содержащей 415 узлов и 670 элементов. На рис.3.5 показано распределение радиальных а>ги осевых напряжений сг^ в конечных элементах для различных сечений фланца, там же показаны точки, в которых наблюдаются максимальные напряжения в элементах.
Рис. 3.5. Эпюры напряжений для фланца корпуса подвесок со звукопоглощающим контуром. F, М, S - наиболее опасные точки по модифицированному критерию
Хилла^сритерию максимальных напряжений и критерию усталостного разрушения
Наибольшие по модулю значения напряжений в элементах сетки,
аппроксимирующей конструкцию, следующие (М П а): сг^ =-23,12; 0^=-10,33 ;
<Т00=6,97; сг^ =5,12. Данные элементы объединяют 2-3 слоя стеклопрепрега
различной ориентации. Напряжения в слоях в глобальной системе координат и ориентация локальной системы координат относительно глобальной приведены в табл.3.6-3.9. Можно отметить, что для указанных элементов наибольшие напряжения характерны для слоев тканого стеклопластика. На рис.3.6 в качестве иллюстрации приведены эпюры распределения напряжений в слоях для нескольких сечений фланца, отмеченных номерами на рис.3.5.
Таблица 3.6 Напряжения в слоях элемента с наибольшими радиальными напряжениями, МПа
Номер слоя |
Материал слоя |
Ориентация слоя |
°гг |
<?zz |
а вв |
|
1 |
Тканый |
г - основа |
-23,1 |
0,3 |
-3,9 |
1,7 |
|
стеклопластик |
0- уток |
-23,1 |
|
|
|
2 |
Тканый |
г - основа |
0,3 |
-3,9 |
1,7 |
|
|
стеклопластик |
0- уток |
|
|
|
|
Таблица 3.7 Напряжения в слоях элемента с наибольшими осевыми напряжениями, МПа
Номер слоя |
Материал слоя |
Ориентация слоя |
°гг |
CTzz |
а вв |
<*rz |
1 |
Тканый |
z - основа |
-0,9 |
10,3 |
0,6 |
1,4 |
|
стеклопластик |
0- уток |
-0,9 |
10,3 |
|
|
2 |
Тканый |
z - основа |
0,6 |
1,4 |
||
|
стеклопластик |
0- уток |
|
|
|
|
Таблица 3.8 Напряжения в слоях элемента с наибольшими межслойными, МПа
Номер слоя |
Материал слоя |
Ориентация слоя |
1 |
Тканый |
г - основа |
|
стеклопластик |
0- уток |
2 |
Тканый |
0- основа |
|
стеклопластик |
г - уток |
3Тканый г - основа стеклопластик 0- уток
°гг
19,8
16,2
00
&ZZ |
а ов |
|
10,2 |
6,8 |
5,1 |
10,2 |
6,6 |
5,1 |
10,2 |
6,8 |
5,1 |
Таблица 3.9 Напряжения в слоях элемента с наибольшими окружными напряжениями, МПа
Номер слоя |
Материал слоя |
Ориентация слоя |
°гг |
&ZZ |
а вв |
а гг |
1 |
Тканый |
г - основа |
20,6 |
10,3 |
7,0 |
-4,8 |
|
стеклопластик |
0- уток |
16,8 |
|
|
|
2 |
Тканый |
0- основа |
10,3 |
6,7 |
-4,8 |
|
|
стеклопластик |
г - уток |
|
|
|
|
3 |
Тканый |
г - основа |
20,6 |
10,3 |
7,0 |
4 8 |
|
стеклопластик |
0- уток |
|
|
|
|