WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Ф.И.О

Хазиев Алексей Равкатович

Название диссертации

Оптимальное проектирование композитных элементов конструкций по условиям прочности, жесткости и устойчивости

Специальность

01.02.06 "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

Отрасль науки

Технические науки

Шифр совета

Д 212.110.07

Тел. ученого секретаря

(499)141-94-02

E-mail

hazei83@mail.ru

Предполагаемая дата защиты

24 декабря 2009 г. в 14-00

Место защиты диссертации

г. Москва, ул. Оршанская, дом 3, ауд. 113В

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте «МАТИ»Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского в сети Интернет 10 ноября 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Чуфистов В.А.

На правах рукописи

УДК 629.78:678.067

ХАЗИЕВ АЛЕКСЕЙ РАВКАТОВИЧ

ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПО УСЛОВИЯМ ПРОЧНОСТИ, ЖЕСТКОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ

Специальность 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «МАТИ» – Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского

Кафедра «Механика и оптимизация процессов и конструкций»

Научный руководитель: доктор технических наук, член-корр. РАН

Васильев В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дудченко А.А.

доктор технических наук

Смердов А.А.

Ведущая организация: ОАО Центральный НИИ Специального машиностроения (ЦНИИСМ)

Защита состоится « 24 » декабря 2009г. в 14:00 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.110.07 в «МАТИ» – Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского, по адресу: 121552,г. Москва, ул. Оршанская, д. 3 (аудитория 113в).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» – Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского

Автореферат диссертации разослан «___» _____________ 2009г.

Отзывы в двух экземплярах (заверенные печатью учреждения) просим присылать по адресу: 121552, г. Москва, Г-552, ул. Оршанская, д. 3, «МАТИ» – Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.110.07

кандидат технических наук, доцент В.А. Чуфистов

I. Общая характеристика работы

Технический прогресс порождает непрерывное расширение класса конструкционных материалов и совершенствование их свойств. Появление новых материалов обусловлено естественным стремлением повысить эффективность разрабатываемых конструкций. Одно из наиболее ярких проявлений прогресса в развитии материалов, конструкций и технологии связано с разработкой и применением армированных композитных материалов. Композиты обладают рядом очевидных преимуществ перед другими материалами, в частности перед металлами. Такими преимуществами являются высокая удельная прочность и жесткость, высокая коррозионная стойкость, хорошая способность выдерживать знакопеременные нагрузки и другие. Cледует отметить еще одну, возможно, самую главную особенность композитов – это способность к направленному изменению свойств материала в соответствии с назначением конструкции и характером ее нагружения. Направленный характер свойств композитов, естественно, предполагает, что наряду с высокими механическими характеристиками в одних направлениях они обладают низкими в других. Поэтому эффективная реализация достоинств этих материалов в конструкциях требует решения комплекса задач, связанных с определением рациональной структуры материала, соответствующей полю внешних нагрузок и других воздействий, с учетом его особенностей и технологических ограничений. Правильный учет особенностей композитов и рациональное использование их преимуществ позволяют получать конструкции, обладающие высокой степенью весового совершенства и уровнем свойств, недостижимым при использовании традиционных материалов. Таким образом, проектирование композитных конструкций, кроме традиционного определения ее геометрических параметров, предусматривает определение рациональной структуры материала, т.е. числа и порядка чередования слоев, углов ориентации и вида армирующих элементов. Это усложняет как формулировку, так и решение задач оптимального проектирования. Следует отметить, что если оптимальность конструкции из традиционных материалов является желательным условием, то применительно к композитам выполнение условий оптимальности структуры может являться необходимым условием существования конструкции. Еще одна особенность, возникающая при проектировании композитных конструкций, связана с тем, что широкий спектр свойств материала, зависящий от многочисленных сочетаний структурных параметров, иногда приводит к неочевидным и неоднозначным решениям задачи проектирования. Перечисленные особенности определяют важность полноты и корректности формулировки задачи оптимального проектирования композитов.

Большой практический интерес представляет проектирование элементов конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния. К таким элементам относятся обшивки несущих конструкций самолетов и ракет, панели конструкций различного назначения, баллоны давления и др. Основной целью оптимального проектирования композитных конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния, является обеспечение сочетания минимальной массы и способности сопротивляться действующим нагрузкам в необходимых направлениях. Достижение этой цели осуществляется выбором оптимальной структуры материала, т.е. количества слоев композита, углов армирования и толщин этих слоев. Особенностью проектирования композитных конструкций, находящихся в плоском напряженном состоянии, является существование бесчисленного множества эквивалентных оптимальных структур, поиск которых традиционными численными методами оптимизации весьма затруднителен, а зачастую вообще невозможен. Таким образом, наряду с формулированием корректной и полной постановки задачи оптимального проектирования композитных конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния, возникает проблема разработки метода оптимизации, позволяющего осуществлять поиск всей совокупности оптимальных структур.

Актуальность работы.

Актуальность рассматриваемой задачи определяется широким применением композитов в современной технике. Конструкции, изготавливаемые в настоящее время из композитов, являются, как правило, тонкостенными и состоят из системы различным образом ориентированных элементарных слоев композита. Определение оптимальных структур материала, обеспечивающих минимальную массу таких конструкций при выполнении ограничений, обеспечивающих ее работоспособность, предоставляется актуальной и важной в прикладном отношении задачей.

Цель работы.

Целью работы является построение и реализация метода оптимального проектирования слоистых композитов, находящихся в условиях плоского напряженного состояния.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

  1. Сформулировать задачу оптимального проектирования композитных элементов конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния, при ограничениях по прочности, жесткости и устойчивости.
  2. Разработать метод оптимального проектирования композитных элементов конструкций, позволяющий находить в отличие от существующих методов всю совокупность оптимальных структур.
  3. Определить оптимальные структурные параметры слоистых композитов по условиям прочности, жесткости и устойчивости при одном и нескольких случаях нагружения.
  4. Решить задачи оптимального проектирования слоистых панелей, баллонов давления и тонкостенных стержней.

Научная новизна.

Научная новизна работы определяется

  1. Предложенной математической постановкой задачи оптимального проектирования ортотропных слоистых композитов, находящихся в условиях одного или нескольких случаев нагружения, предусматривающей определение углов армирования, толщин и количества слоев, обеспечивающих минимум массы при ограничениях по прочности, жесткости и устойчивости. Задача сводится к задаче безусловной минимизации суммарной толщины композита в минимаксной постановке.
  2. Методом решения задачи оптимального проектирования слоистых ортотропных композитных панелей, находящихся в плоском напряженном состоянии, обеспечивающим минимальную толщину панели при ограничениях по прочности слоев. Поиск оптимальных структур основан на методе направленного перебора с уточняющим поиском методом сопряженных направлений и позволяет найти набор эквивалентных оптимальных структур при заданном числе слоев композита.
  3. Обобщением предложенного метода на задачи, в которых наряду с ограничениями по прочности слоев заданы ограничения по жесткости и устойчивости композитной панели.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов определяется сопоставлением с известными аналитическими и численными решениями частных задач.

Практическая значимость.

Практическая значимость работы определяется полученными рекомендациями по оптимальной структуре композитных панелей, при воздействии нагрузок, действующих в плоскости панели. Результаты работы могут быть использованы при проектировании несущих оболочек отсеков ракет, обшивки крыла, оперения и фюзеляжа самолета, баллонов давления и других композитных конструкций.

Предложенный подход к оптимальному проектированию элементов слоистых композитных конструкций может представлять интерес для разработчиков численных и аналитических методов решения задач оптимального проектирования.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на:

  1. Международной молодежной научной конференции «XXXIII Гагаринские чтения», Москва 3-7 апреля 2007, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского;
  2. Международной молодежной научной конференции «XXXIV Гагаринские чтения», Москва 1-5 апреля 2008, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского;
  3. Международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские чтения», Москва 7-11 апреля 2009, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского;

Основные положения диссертации опубликованы в работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Работа содержит 143 страницы машинописного текста, 64 рисунка. Список литературы включает 219 наименований.

II. Основное содержание работы

Во введении проведено обоснование актуальности темы, сформулирована цель и изложено содержание диссертационной работы.

В первой главе содержится описание существующих формулировок и постановок задач оптиального проектирования конструкций, а также подходов и методов решения этих задач. Приведен обзор основных работ, посвященных проблемам оптимального проектирования композитных конструкций. Отмечаются результаты, полученные в работах Азаровой Г.Н., Баничука Н.В., Бунакова В.А., Васильева В.В., Дудченко А.А., Зиновьева П.А., Кобелева В.В., Комарова В.А., Крегерса А.Ф., Марциновского В.В., Миткевича А.Б., Нарусберга В.Л., Немировского Ю.В., Образцова И.Ф., Протасова В.Д., Рикардса Р.Б., Смердова А.А., Тетерса Г.А., Янковского А.П., Grdal Z., Haftka R.T., Hajela P., Han K.S., Hwang W., Nagendra S., Park H.C., Song S.R. и других авторов. На основе обзора литературы сформулирована общая постановка задачи оптимального проектирования слоистых композитов.

Вторая глава включает математическую постановку и метод решения задачи оптимального проектирования ортотропных слоистых композитов по условиям прочности, жесткости и устойчивости.

Рассматривается панель, изображенная на Рис. 1, состоящая из пар однонаправленных слоев композита с углами армирования и толщинами  (). В главных осях ортотропии однонаправленного слоя 1,2 характеристики этого слоя определяются упругими постоянными,,,, и пределами прочности,, при растяжении (знак «+»), сжатии (знак «–») и сдвиге. Оси ортотропии 1 и 2 направлены соответственно вдоль и поперек волокон однонаправленного слоя. Панель нагружена известными нормальными и касательными усилиями, и (Рис. 1).

Рис. 1. Схема нагружения проектируемой композитной панели

Условием оптимальности панели, все слои которой изготовлены из одного материала, является условие минимума ее толщины при наложенных на панель ограничениях по прочности, жесткости и устойчивости. Таким образом, задача оптимального армирования заключается в определении структурных параметров пластины – толщин слоев, углов армирования и числа слоев, обеспечивающих минимальную толщину панели при выполнении условий прочности материала всех слоев, условий жесткости и устойчивости при действии заданных нагрузок, и.

В соответствии с формулировкой задачи оптимального проектирования слоистой композитной панели математическая постановка задачи записывается следующим образом.

Целевая функция имеет вид

.

Ограничения по прочности

Используемый критерий прочности учитывает различные пределы прочности материала при растяжении и сжатии и в предельных случаях описывает две возможные формы разрушения композита, связанные с нарушением монолитности материала (разрушение матрицы) и с разрушением волокон.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»