Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2016

УДК 539.3

УПАКОВКА И РАЗВЕРТЫВАНИЕ ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ В УСЛОВИЯХ КОСМОСА

В.М. Пестренин1, И.В. Пестренина1, С.В. Русаков1, А.В. Кондюрин2

1 Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия, 2 Университет в Сиднее, Австралия

Pestreninvm@mail.ru, IPestrenina@gmail.com, Rusakov@psu.ru, A.Kondyurin@physics.usyd.edu.au

Рассматриваются упаковки крупногабаритных составных оболочечных конструкций (гофра, цилиндр и усеченный конус) и их развертывание посредством нагружения внутренним давлением. Срединные поверхности составных элементов оболочек имеют развертку, с которой эти поверхности совпадают в упакованном состоянии. Составные элементы изготовлены из углепластика и скреплены между собой швами, не воспринимающими сопротивление повороту вокруг касательной к линии шва. Рассматриваемые конструкции воспринимают изгибающие нагрузки. Дана постановка и приведено решение квазистатической задачи о термодинамическом состоянии вдуваемого газа.

Ключевые слова: упаковка крупногабаритных конструкций, развертка конструкций, композитные материалы, сопротивление изгибу, геометрически нелинейные задачи, термодинамическое состояние газа, давление развертывания.

Пневматические крупногабаритные конструкции широко применяются в строительной практике. В частности, это здания, ангары для хранилищ, спортивные и выставочные павильоны, опалубки, емкости для хранения жидкости. Большая роль крупногабаритным пневматическим конструкциям отводится в освоении космического пространства, так как они могут доставляться на орбиту в упакованном виде и развертываться там посредством нагружения внутренним давлением. Прогнозируется их интен-

261

сивное использование в качестве рефлекторов космических телескопов и антенн [1, 2], зеркальных и линзовых концентраторов солнечного излучения [3], модулей жизнеобеспечения космических экипажей (лабораторий, оранжерей, хранилищ расходных материалов и т.п.) [4]. В настоящее время для изготовления пневматических изделий используются мягкие материалы (ткани, пленки) или материалы, армированные текстильными волокнами, работающими на растяжение. Конструкции из таких материалов не воспринимают сопротивление изгибу, поэтому рассчитываются по безмоментной теории оболочек. В работе [4] показано, что давление развертывания крупногабаритных оболочечных конструкций, изготовленных из жестких (работающих на изгиб) композитов (в частности углепластиков), незначительно превосходит давление развертывания оболочек из мягких материалов. Это обстоятельство существенно расширяет применение материалов, пригодных для изготовления пневматических конструкций космического назначения, и обусловливает исследование новых задач механики деформируемого твердого тела (МДТТ). В настоящей работе изучаются упаковки крупногабаритной оболочки, развертывающейся в гофру, а также упаковки цилиндрических и конических оболочек, развертывающихся подобно меху гармони или фотоаппарата соответственно. Исследуется напряженное состояние элементов конструкции, формулируются критерии достижения необходимого давления развертывания, устанавливаются особенности термодинамического состояния газа, заполняющего оболочку при ее нагружении. Задача МДТТ о развертывании внутренним давлением оболочечной конструкции, изготовленной из упругого материала и находящейся в упакованном состоянии, рассматривается при следующих допущениях:

1)оболочка изготовлена из составных элементов, срединная поверхность которых имеет развертку;

2)составные элементы конструкции скреплены (сшиты) между собой швом, не воспринимающим сопротивление повороту вокруг касательной к линии шва, в частности, шов может быть выполнен из мягкого недополимеризованного композита, отверждение которого будет завершено после развертывания с использованием энергии солнечного излучения (или другого способа);

3)элементы конструкции в упакованном виде находятся в

естественном состоянии (ненапряженном и недеформированном);

262

4) развертывание оболочечной конструкции осуществляется в условиях космоса, гравитационные силы уравновешиваются силами инерции, внешнее давление отсутствует.

Вдокладе рассматриваются задачи:

–упаковки крупногабаритной составной оболочечной гофрированной, цилиндрической и конической конструкций (рис. 1);

–изучения их механического поведения при нагружении внутренним давлением до достижения им эксплуатационного значения;

–определения термодинамических параметров газа внутри оболочки в процессе ее развертывания.

Рис. 1. Упаковка оболочки-гофры (а), оригами-упаковки цилиндрической (б) и конической (в) оболочек

Рис. 2. Изменение температуры газа внутри цилиндрической оболочки

взависимости от его массы в начале процесса развертывания:

а– воздух; б – гелий. Начальная температура и температура вдуваемого газа одинаковы: 1 – 273 °К; 2 – 293 °К; 3 – 303 °К

263

Предложены способы упаковки крупногабаритных составных оболочечных конструкций, развертывающихся внутренним давлением в гофру, цилиндр или конус. Определены необходимое для приведения конструкции в состояние эксплуатации давление; напряжения в составных элементах; текущее термодинамическое состояние вдуваемого газа (рис. 2).

Полученные в работе результаты расширяют возможности пневматического метода изготовления крупногабаритных изделий, в том числе и космического назначения.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 14-08- 96011, № 15-01-07946, № 16-48-590844.

Список литературы

1.Кривошапко С.Н. Пневматические конструкции и сооружения // Строительная механика инженерных конструкций и со-

оружений. – 2015. – № 3. – С. 45–53.

2.Quinn G., Gengnagel C. A review of elastic grid shells, their erection methods and the potential use of pneumatic formwork // Mob Rapidly Assem Struct IV. – 2014. – Vol. 136. – P. 129–143. DOI: 10.2495/MAR140111

3.Леонов В.В., Жаренов И.С. Анализ особенностей конструкции крупногабаритных надувных концентраторов солнечного излучения // Наука и образование: научное издание МГТУ им.

Н.Э. Баумана. – 2013. – № 10. – С. 177–192. DOI: 10.7463/1013.0618788

4. Deployment of large-size shell constructions by internal pressure / V.M. Pestrenin, I.V. Pestrenina, S.V. Rusakov, A.V. Kondyurin // Mechanics of Composite Materials. – 2015. – Vol. 51, № 5. – P. 629–636.

264

УДК 621.923.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕЦИЗИОННОЙ ТОРЦЕШЛИФОВАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РОЛИКОВ

Л.Г. Вайнер

Тихоокеанский государственный университет, Хабаровск, Россия

lgvainer@mail.ru

На основе нового научного подхода – аналогии с процессом врезного шлифования – разработана математическая модель съема припуска и сил шлифования при двусторонней торцешлифовальной обработке цилиндрических роликов. Установлены зависимости характеристик съема припуска от жесткости упругой системы станка и условий шлифования.

Ключевые слова: двусторонняя торцешлифовальная обработка, эквивалентное врезное перемещение, структура цикла шлифования, съем припуска, силы шлифования.

К роликовым подшипникам, используемым в специальном машиностроении, авиационной и космической технике, предъявляются повышенные требования по точности. Наиболее прогрессивным технологическим способом финишной обработки торцевых поверхностей роликов является двусторонняя торцешлифальная обработка. Для управления процессом высокоточного формообразования необходимо знать закономерности съема припуска в зоне формирования точности.

При рассмотрении цикла шлифования одиночной заготовки (рис. 1) представляется возможным использовать аналогию этого процесса с круглым врезным шлифованием. В обоих случаях имеются этапы активного съема и снятия натяга (выхаживания). Отличие состоит в том, что в случае круглого врезного шлифования управляющим воздействием служит изменение номинальной врезной подачи [1], а при двустороннем торцешлифовании – номинальный закон текущего относительного сближения производящей поверхностишлифовальногокругаизаготовкив направлениинормали к обрабатываемой поверхности при перемещении заготовки вдоль траектории движения подачи. Данное относительное сближение трактуетсякакэквивалентноеврезноеперемещение.

265

мости для упругих деформаций и сил шлифования [2, 3], получим дифференциальное уравнение съема припуска

где

m( ) кRд Rкi c , kuVдF

здесь Rд – радиус окружности расположения осей заготовок, Rкi – текущий радиус положения заготовки, ωк – угловая скорость круга; Vд – подача заготовки; k – соотношение нормальной и тангенциальной составляющих сил резания; u – удельная энергия шлифования, F – площадь обрабатываемого торца заготовки, сΣ – приведенная суммарная жесткость системы под заготовкой.

Уравнение (2) является линейным дифференциальным, имеющим общее решение [4] в виде

здесь t(ξ), ξ – координаты точки, через которую проходит инте-

гральная кривая, ( ) m( )d .

Для возможности решения данного уравнения в явном виде введен ряд допущений:

1. tн(θ) можно аппроксимировать многочленом второй степени (что подтверждается результатами экспериментальной оценки [2]):

tна ( ) a0 a1 a2 .

2. Зона шлифования поделена на n интервалов величиной 2φв/n, в пределах каждого из которых можно принять m(θ) = const.

При tн(θ) = tнa(θ) получены выражения для текущего съема t(θ) и скорости съема S ddt припуска на участке активного

съема при 0 ≤ θ ≤ θmн и на участке выхаживания при θ > θmн, где θmн – угловая координата экстремума номинальной кривой съема припуска.

Нормальная сила резания Py определяется в зависимости от

S ddt , тангенциальная – Pτ = Py/k. Суммарные упругие смеще-

ния круга под заготовкой в произвольных точках траектории ее движения можно определить по известным силе резания и приведенной жесткости в функции текущей координаты.

На основе приведенной математической модели создан алгоритм и программа, позволяющие проанализировать влияние технологических параметров на характеристики съема припуска и силы резания. На рис. 2 приведены примеры графиков зависимости текущего съема припуска от угловой координаты заготовки при вариациях характеристик жесткости.

Корректность предложенной методики и расчетной модели подтверждена сопоставлением расчетных и экспериментальных кривых распределения нормальных и тангенциальных сил резания, действующих на заготовку, вдоль траектории ее движения.

267

Рис. 2. Изменение tна (3) и текущего съема t припуска от угловой координаты θ заготовки на участке выхаживания

при вариациях значений приведенной жесткости: 1 – сΣ = с; 2 – сΣ = 2с

Предложенные теоретические положения, расчетная методика и разработанная на их основе модель позволяют определить характеристики съема припуска и силы шлифования при обработке ролика с учетом приведенной жесткости упругой системы станка, оценить влияние режимов шлифования, параметров геометрической настройки технологического пространства на процесс съема припуска.

Список литературы

1.Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифованием. – М.: Машиностроение, 1975. – 304 с.

2.Вайнер Л.Г. Определение параметров технологического пространства при двусторонней торцешлифовальной обработке // Вестник машиностроения. – 2011. – № 12. – С. 72–77.

3.Лурье Г.Б. Шлифование металлов. – М.: Машинострое-

ние, 1969. – 172 с.

4.Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. – М.: Наука, 1980. – 976 с.

268

УДК 623.4

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАРЯДА ИЗ СМЕСЕВОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С НИЗКОЙ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ ДЫМООБРАЗОВАНИЯ

М.А. Панфилов, В.Ф. Молчанов, В.И. Малинин

Научно-исследовательский институт полимерных материалов, Пермь, Россия

PanfilovMA@yandex.ru

Данная работа посвящена разработке конструкции заряда, подбору топлива, расчету внутрибаллистических характеристик. По итогам сделан вывод об удовлетворительных результатах испытаний, подтверждающих соответствие проектируемого заряда требованиям технического задания.

Ключевые слова: малогабаритный заряд, смесевое ракетное твердое топливо, внутрибаллистические характеристики.

Перед АО «НИИПМ» была поставлена задача разработать заряд комплекса малогабаритного управляемого вооружения для пехотинца, предназначенного для поражения легкобронированной техники, вертолетов, живой силы противника, низколетящих малозаметных целей (ДПЛА) и оснащения им личного состава армии.

Отличительной чертой комплекса является его малые габариты и вес. Проектируемый заряд предназначен для комплектации однокамерного, четырехсоплового, однорежимного и герметичного стартового двигателя [1].

В техническом задании на разработку заряда были поставлены жесткие требования к эксплуатации. Заряд должен выполнять свои функции в широком диапазоне температур, при этом иметь высокий импульс тяги, малые габариты и вес и низкую удельную мощность дымообразования.

Для выполнения поставленной задачи была разработана конструкция заряда, представленная на рис. 1, представляющая собой два коаксиально расположенных полузаряда, скрепленных с корпусом двигателя и центральной трубкой, закрепленных в форкамере и сопловом блоке (крышке).

269

Телескопический заряд имеет нейтральный закон горения. Достоинство конструкции заключается в возможности получения больших расходов топлива за счет большой поверхности горения.

Рис. 1. Конструкция заряда: 1 – секция I; 2 – секция II; 3 – гайка; 4 – форкамера; 5, 6 – крышка; 7 – шпонка

Спроектированная конструкция позволяет:

–обеспечить максимальную массу заряда при допустимой по значению Рпр прогрессивности поверхности горения;

–максимальную защиту стенок камеры и внутренней трубки от нагрева;

–необходимые зазоры для надежного воспламенения заряда

идопустимого по значению эрозионного горения в начале работы. Для выполнения требуемых внутрибаллистических характе-

ристик заряда было разработано новое топливо. Уникальность состоит в том, что для данного заряда впервые применительно к системам ПТУРС выбран не баллиститный порох (БП), а смесевое твердое ракетное топливо (СТРТ). СТРТ, в отличие от БП, позволяет обеспечить следующие особенности конструкции:

–прочное скрепление изделия с корпусом через тонкий слой теплозащитного покрытия (ТЗП);

–в отличие от БП более высокие энергомассовые показатели;

–увеличение «энергетики» за счет большего количества СТРТ в корпусе (коэффициент заполнения больше, чем при вкладном варианте);

–минимизация дымного следа достигается исключением металла и уменьшением хлорсодержащих наполнителей;

–работоспособность в широком диапазоне температур за

счет эластичности материала.

270