Метод проектирования выворачивающихся диафрагм-разделителей удлиненных топливных баков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат технических наук Кубриков, Максим Викторович

• Кубриков, Максим Викторович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кубриков, Максим Викторович

Введение.

1 Обзор литературы по конструкциям и методам расчета топливных баков.

1.1 'Конструкции топливных баков с механическим разделением газовой и жидкой фазы.

1.1.1 Топливные баки с механическим разделением жидкой и газовой фазы

1.1.2 Выворачивающиеся металлические диафрагмы-разделители топливных баков.

1.1.3 Требования, предъявляемые к механическим диафрагмам-разделителям и их проектированию.

1.1.4 Описание процесса выворачивания металлических диафрагм-разделителей.

1.2 Цель работы:.

2 Математическая модель процесса выворачивания разделителя.

2.1 Физическая модель выворачивания металлических диафрагм-разделителей.

2.2 Основные параметры процесса выворачивания.

2.3 Давление выворачивания и радиус зоны перекатывания.

2.4 Мгновенное положение разделителя.

2.5 Объем, вытесненный разделителем.

2.6 ' Выводы по разделу.

3 Экспериментальные исследования процесса выворачивания разделителя при малых углах наклона образующей.

3.1 Экспериментальная установка.

3.1.1 Пневмогидравлическая схема установки.

3.2 Объект исследования.

3.3 Методика испытаний.

3.4 Измерение геометрических параметров и деформаций разделителя.

3.5 Погрешность измерений.

3.6 Результаты испытаний.

4 Проектирования разделителя топливного бака по уточненной модели.

4.1 Исследование диафрагмы-разделителя при малых углах наклона образующей.

4.2 Условные обозначения.

4.3 Расчет параметров начальной точки и определение геометрических характеристик.

4.4 Расчет вытесненного объема и параметров положения разделителя на участке конус.

4.5 Расчет вытесненного объема и параметров положения разделителя на участке тор.

4.6 Расчет вытесненного объема и параметров положения разделителя на участке сфера.

4.7 Программное обеспечение по реализации математической модели процесса выворачивания диафрагмы-разделителя.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод проектирования выворачивающихся диафрагм-разделителей удлиненных топливных баков»

Актуальность темы. Обеспечение бесперебойной работы и эксплуатационной надежности жидкостных ракетных двигателей можно отнести к актуальным направлениям теоретических и экспериментальных исследований в области космического машиностроения. Для решения большинства космических задач необходимы двигатели малых тяг, многократно запускаемые в условиях невесомости с увеличенным сроком их использования. Аварийные ситуации с жидкостными ракетными двигателями космических аппаратов возникают из-за неравномерной подачи компонентов топлива, попадания газовых пузырей в топливные магистрали. Это послужило основанием для целенаправленных научно-исследовательских работ в области проектирования и эксплуатации топливных баков.

Для гарантированного запуска и работы двигателя в условиях невесомости необходимо обеспечить бесперебойную подачу компонента в двигатель в жидкой фазе, что обеспечивается разделением жидкой и газообразной фаз механическим способом. Для решения данной задачи применяются металлические пластически выворачивающиеся разделители, вытесняющие компонент из бака. Они гарантированно обеспечивает надежный запуск и останов двигательной установки, строго определяют положение центра масс жидкости в любой момент работы двигательной установки летательного аппарата. Выворачивающиеся металлические разделители обеспечивают долговечность конструкции при контакте с химически-активными компонентами топлива, они просты в конструктивном выполнении, технологичны, их весовые характеристики близки к бакам с неметаллическими разделителями.

Проектирование осесимметричных топливных баков увеличенного объема с металлическими диафрагмами-разделителями с высокими эксплуатационными характеристиками, является существенной технической проблемой и требует подробного исследования: Проектирование топливных баков с цилиндрическими участками образующей или с коническими с малыми углами наклона к оси вращения позволит увеличить объем баков при неизменных поперечных размерах. Исследование процесса выворачивания металлических диафрагм-разделителей позволяет проектировать их для топливных баков различного размера и формы по заданным параметрам вытеснения компонента.

Цель работы. Разработка метода проектирования топливных баков увеличенного объема с участками цилиндрической образующей или конической с малым углом наклона к оси симметрии.

Решение поставленной цели в диссертационной работе достигается решением ряда задач:

- разработка уточненной математической модели процесса выворачивания диафрагм-разделителей в составе удлиненного топливного бака;

- теоретическое и экспериментальное исследование причины и характера потери устойчивости, удлиненного разделителя на протяженных цилиндрических и конических участках в зависимости от давления выворачивания и основных геометрических параметров разделителя, разработка мероприятий по повышению устойчивости разделителей при выворачивании;

- создание программного обеспечения по реализации разработанной математической модели процесса выворачивания разделителя, включая участки при* малых углах наклона образующей.

Научная новизна работы:

- проведено уточнение методов расчета и проектирования выворачивающихся диафрагм-разделителей для малых углов наклона образующей, удлиненного топливного бака летательного аппарата;

- предложены методы проектирования устойчивых удлиненных разделителей с определением частоты и формы ребер подкрепления.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1 Зависимости величин пластических деформаций торовой зоны перекатывания по- основным направлениям диафрагмы-разделителя на участках с малым углом наклона образующей, меняющихся в процессе выворачивания. 5

Уточнены зависимости радиуса зоны перекатывания и давление выворачивания от мгновенного положения разделителя в процессе выворачивания диафрагмы-разделителя с малыми углами наклона образующей. Объем и протяженность зон пластического и упругого деформирования материала;

2 Величина критического давления потери устойчивости удлиненных диафрагм-разделителей, полученная на основе экспериментальных исследований. Виды подкрепления цилиндрических участков разделителя и результаты их влияния на процесс выворачивания. Сформированные рекомендации по проектированию и изготовлению удлиненных разделителей. Способы повышения устойчивости диафрагм-разделителей с малыми углами наклона образующей;

3 Уточненная модель процесса выворачивания удлиненных диафрагм-разделителей в составе топливного бака на основе использования энергетического принципа. На базе уточненной модели процесса выворачивания разработаны методика расчета и программное обеспечение для проектирования выворачивающихся металлических диафрагм-разделителей.

Достоверность и обоснованность полученных результатов основывается на проверенных инженерной практикой физико-математических методах, применяемых при составлении модели процесса выворачивания и определения основных характеристик процесса выворачивания и подтверждена результатами экспериментальных исследований.

Практическая ценность в использовании результатов разработок заключается в том, что разработаны физическая и математическая модели процесса выворачивания диафрагм-разделителей, при малых углах наклона образующей на основе общепринятого для пластических деформаций энергетического принципа с использованием принципа кинематически возможных скоростей. Определены зависимости основных характеристик процесса выворачивания от параметров, меняющихся в процессе выворачивания.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» в 2011 г., а так же на международных научных конференциях 6

Решетневские чтения» в 2007-2010 г. и опубликованы в Вестнике СибГАУ 2010.-№ 3 и №4.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 7 работах, допущенных к открытой печати.

Заключение диссертации по теме «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», Кубриков, Максим Викторович

Заключение

1 Построена математическая модель процесса выворачивания на основе экспериментальных данных с помощью, которой определены величины пластических деформаций торовой зоны перекатывания, радиуса зоны перекатывания и давление выворачивания для диафрагм-разделителей с участками образующей с малыми углами наклона;

2 Экспериментально определенны причины и характер потери устойчивости удлиненных диафрагм-разделителей. Исследовано влияние различных видов ребер подкрепления цилиндрических участков разделителя на процесс выворачивания, даны рекомендации по проектированию удлиненных разделителей. Предложены варианты повышения устойчивости диафрагм-разделителей с малыми углами наклона образующей;

3 Разработана уточненная модель процесса выворачивания удлиненных диафрагм-разделителей в составе топливного бака увеличенного объема. На базе уточненной модели процесса выворачивания разработано программное обеспечение по реализации расчета и проектирования выворачивающихся металлических диафрагм-разделителей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кубриков, Максим Викторович, 2011 год

1. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф, Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. -М.Машиностроение. 1989.-464с.

2. Алфутов Я.А., Основы расчета на устойчивость упругих систем — М.: Машиностроение, 1978 311 с.

3. Анисимов В. Ю. Устойчивость трансверсально-изотропной оболочки вращения при осевом сжатии// Вестн. Петерб. ун-та. 2006. N 1. 68-78.

4. Бабенко В.И., Причко В.М. Диаграммы нагружения сферических сегментов при внешнем давлении. Докл. АП СССР. Сер.А, 1984, №10, с 22 25.

5. Балабух Л.И., Алфутов H.A., Успекин В.И. Строительная механика ракет.- М.: Высшая школа, 1984, 391 с.

6. Беляев Н.М. Расчет пневмогидравлических систем ракет. -М.: Машиностроение, 1983. 219 с.

7. Валишвили Н. В. Методы расчета оболочек вращения на ЭЦВМ. — М.: Машиностроение, 1976. 278 с.

8. Валишвили Н.В. О формах равновесия пологих сферических оболочек. // Известия АН ССР. МТТ. 1968, Ж6, с. 131 -137.I

9. Вытяжка деталей ротационная. Типовые технологические процессы. Отраслевой стандарт. ОСТ 92-1634-76.

10. Гольденвейзер А. JI. Теория упругих тонких оболочек, М. 1976. 512 с.

11. Горлов В.Б.,Кашелкин В.В.,Недошивин П.Е.,Свешников В.М. Исследование усилий деформирования и разрушения инженерных мембран. " Прикладные проблемы прочности и пластичности". Горьковский университет. -Горький, 1986, с 107-110.

12. Гредитор М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание / М.А. Гредитор. М.: Машиностроение, 1971. 239 с. 4

13. Грибанов В.Ф.ДСрохин И.А., Паничкин Н.Г., Санников В.М., Фомичев Ю.И. Прочность, устойчивость и колебания термо-напряженных оболочечных конструкций. -М.: Машиностроение, 1990, 368 с.

14. Григолюк Э.И., Куликов Г.М. Многослойные армированные оболочки: Расчет пневмогидравлических шин. М.: Машиностроение, 1988. - 288с.

15. Григолюк Э.И., Мамай В. И. Нелинейное деформирование тонкостенных конструкций. — М.: Наука, Физматлит. 1997.

16. Григолюк Э.И., Мамай В.И. Механика деформирования сферических оболочек. — М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1983.

17. Григолюк Э.И., Толкачев В.М. Контактные задачи теории пластин и оболочек. М.: Машиностроение, 1980. 411 с.

18. Григолюк Э.И., Толкачев В.М. О расчете цилиндрических оболочек, загруженных по линиям. Прикладная математика и механика, 1967, т. 31, вып. 6, с. П41-П46.

19. Григоренко Я.М., Мукоед А.П. Решение нелинейных задач теории оболочек на ЭВМ. — Киев: Вища шк., Физматлит. 1983.

20. Даревский В.М. Определение критического давления для цилиндрической оболочки, подкрепленной произвольно расположенными кольцами с различной жесткостью // Изв. АН СССР. ОТН. Механика и машиностроение. № 3. 1963. С. 72-82.

21. Детали холодноштампуемые. Отраслевой стандарт. ОСТ 92-1051-83. Технические условия.

22. Ефремов В.Н. Выбор оптимальных параметров выворачивающихся металлических разделителей топливных баков ЖРД. Д.К.- Красноярск, 1983, 175 с.

23. Ефремов В.Н. и др. Проектирование оптимальных металлических разделителей топливных баков жидкостных ракетных двигателей. В кн. Материалы, конструкции, технологии. Межвузовский сборник. Красноярск: CAA, 1995, с. 228-229.

24. Ефремов» В.Н. Изготовление выворачивающихся полусферических оболочек ротационным методом : информ. листок №50-81 /В.Н. Ефремов ; ЦНТИ. Красноярск, 1981.

25. Ефремов В.Н. О радиусе зоны пластического перекатывания полусферической оболочки в процессе ее выворачивания : информ. листок №243480 /В.Н. Ефремов ; ЦНТИ. Красноярск, 1980.

26. Ефремов В.Н. Учет деформации меридиональных сечений при изготовление емкостей с разделителями для агрессивных сред : информ. листок №2973-80 /В.Н.Ефремов ; ЦНТИ. Красноярск, 1980.

27. Ефремов В.Н., Журавлев В.Ю. Методика проектирования емкостей для химически активных жидкостей //Гидропривод машин различного технологического назначения /Отв. ред. Каверзин C.B. Красноярск; КГТУ, 1997. -С. 108-111.

28. Ефремов В.Н. Разделители топливных баков с отрицательной деформацией параллели: моногр. / В.Н. Ефремову В.Ю. Журавлев, О.П. Якубович; Сиб.гос.аэрокосмич. ун-т. -Красноярск, 2005. -76с.

29. Жигалко Ю.П., Дмитриева JI.M, Динамика ребристых пластин и оболочек. В кн.: Исследования по теории пластин и оболочек. Казань, 1978, вып. 13, с. 3-30.

30. Залесов В.Н., Даев И.Ф. Пластическое деформирование вытеснительных диафрагм: М. .'Машиностроение, 1977.-78 с.

31. Кармишин А,В., Лясковец В.А., Мяченков В.И., Фролов А.И, Статика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций. М.: Машиностроение, 1975. 376 с.t

32. Козлов A.A. и др. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. -М.: Машиностроение. 1989 -352 с.

33. Колесников К.С., Рыбак G.A., Самойлов Е.А. Динамика топливных систем ЖРД. М., «Машиностроение», 1975, 172с.

34. Колкунов Н.В. Основы расчета упругих оболочек. -М: Высш. Шк. 1987. -256 с.

35. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Под общей редакцией Г.Г.Гохуна.-М.: Машиностроение. 1989-424с.

36. Коровайцев A.B. Расчет оссеметричных форм равновесия упругой сферической оболочки / A.B. Коровайцев // Изв. ВУЗов. Сер. «Машиностроение». 1978. №3.

37. Короткова П. В. Об определении предельной нагрузки при осевом сжатии нелинейно упругой оболочки вращения // Вестн. Петерб. ун-та. 1997. N 1. 71-75.

38. Кубриков М. В., Журавлев В. Ю. Проектирование диафрагм-разделителей удлиненных топливных баков / М.В. Кубриков, В.Ю. Журавлев // Вестник СибГАУ.-Вып. 4(30).-Красноярск, 2010.-С.105-107.

39. Кубриков, М. В. Использование метода акустической эмиссии для анализа работы диафрагмы-разделителя топливного бака/ М.В. Кубриков, В.Ю. Журавлев// Решетневские чтения: материалы XI Междунар. науч. конф-Красноярск:СибГАУ, 2007 г-С.44-45.

40. Курнаев В.М., Постнов В.А. Устойчивость при внешнем давлении ортотропных круговых цилиндрических оболочек, подкрепленных кольцевыми ребрами // Изв. РАН. МТТ. 1972, № 4. С. 129-137.

41. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. -М.: Машиностроение. 1985. -344 с.

42. Малютин И.С. Устойчивость цилиндрической оболочки, подкрепленной кольцевыми ребрами; при действии внешнего давления и осевых сил // Изв. АН. МТТ. 1971. №2. С. 65-68.

43. Малютин И.С. Устойчивость цилиндрической оболочки, подкрепленной регулярной системой кольцевых ребер различной жесткости // Изв АН. МТТ. 1976. №6. С. 185-188.

44. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983.-192 с.

45. Новиков В.Н., Авхимович Б.М., Вейтин В.Е. Основы устройства и конструирования летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1991, 368 с.

46. Новожилов В.В., Черных К.Ф., Михайловский Е.И. Линейная теория тонких оболочек. — Л.: Политехника, 1991. 656 с.

47. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и- расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. -М.: Машиностроение, 1986-376с.

48. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей / под ред. В.М. Кудрявцева 2-е изд. М.: Высш: шк., 1975. 656 с.60:' Патент ЕПВ (EP),N 0 132 175, МКИ 364G 1/40,F 17С 13/00, 1985.61». Патент РСТ (WO) N 88/03499МКИ В64 С 1/40; U17 С 9/00,1988:

49. Патент США, N4399 831,МКИ B64G 1/00., 198463. Патент США, N 4489S745,MKH 3 B64G 1/00, 1984.

50. Патент США, N4553 565.В 64Д 37/08 1986«

51. Патент ФРГ, N 033209251МКИ В 64G 1/42, В64Д 37/22, 1983.

52. Постнов В.А. Устойчивость круговой цилиндрической оболочки, подкрепленной ребрами различной жесткости // Сб. докл. научно-техн. конф. по строит, механике. Л.: Судпромгиз, 1966. Выт 74. С. 105-110.

53. Рябов В.М. Устойчивость подкрепленной поперечным набором цилиндрической оболочки при внешнем давлении и осевом сжатии // Расчет пространственных конструкций. 1969. Вып. 12. С. 150-167.

54. Товстик П.Е. Осесимметричная деформация оболочек вращения из нелинейно упругого материала// Прикл. мат. и мех. 1997 №4 с 660 673

55. Товстик П.Е. Осесимметричная деформация тонких оболочек вращения при осевом сжатии// Вестн. Петерб. ун-та. 1995. N 1. 95-102.

56. Товстик П.Е. Потеря устойчивости тонких оболочек, связанная со слабым закреплением края.// Вестник Ленингр; Ун- та Серия Мат. Мех. Астрон. -1991, №3.

57. Товстик П.Е. Устойчивость многослойной: цилиндрической оболочки при осевом сжатии:// Изестия высших учебных заведений. Сёверо-кавказкий регион, Естественные науки.- 2004 Спец. выпуск.

58. Товстик П.Е. Устойчивость оболочек вращения с изломом срединной поверхности // Тр. 18 межд. конф. по теории оболочек и пластин. Саратов. 1997. Т. 2. 120-127.

59. Товстик П.Е. Устойчивость тонких оболочек. Асимптотические методы. -М.: Наука, 1995. 320 с.

60. Усюкин В.И. Строительная механика конструкций космической техники. М.: Машиностроение, 1988, 392 с.

61. Феодосьев В.И. Об одном способе решения нелинейных задач устойчивости деформируемых систем // Прикл. мат. и мех. 1963, Т. 27, Вып. 2 с. 265 274. '

62. Феодосьев В.И. Осесимметричная эластика сферической оболочки. // Прикл. мат. и мех. 1969, Т. 33, вып. 2. с. 280-286

63. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов / В.И. Феодосьев. 7-е изд. М.: Наука, 1974. 59 с.

64. Фихтенгольц Г.М., Основы математического анализа (Т. 2) — СПБ.: Издательство "Лань 2001 464 с.

65. Шереметьев М.П., Лунь Е.И. Уточнение линейной моментной теории тонких оболочек. //Труды IV Всесоюзн. конф. по теории оболочек и пластин. Ереван: Изд-во АН. Арм. ССР, 1964. с. 991 996.

66. Юдин Н.Ф. Ротационная вытяжка цилиндрических оболочек / Н.Ф. Юдин, А.В. Яковлев. М.: Машиностроение, 1984. 124 с.

67. Naghdi P.M. On the theory of thin elastic shells//Quarterly of Applied Mathematics, 1957 Vol.14, N. 4, p. 369 380.

68. Nash W.A. Buckling of multiple-bay of ring cylindrical shells subject to external hydrostatic pressure // Trans. ASME. J. Appl. Mech. 1953. V. 20. № 4. P. 469474.

69. Reissner E. On finite symmetrical deflections of thin shells of revolutions. Trans. ASME. Ser. E.J. Appl. Mech. 1969. Vol. 36, № 2 p. 267-270.

70. Seishi Y., Kazuo V., Motohiko Y. Experimental Investigation of the buckling of shallow spherical shells. // Intern. J. Non-Linear Mech. 1983, Vol. 18, № 1 p. 37 54.

71. Thurston G.A. A numerical solution of nonlinear equations of shallow spherical shells. Trans. ASME. 1961. Vol: E28; № 4 p. 557-562.

72. Tian J., Wang G.M., Swaddiwudhipong S. Elastic buckling analyses of ring-stiffened cylindrical shells under general pressure loading via the Ritz method // Thin-Walled Structures. 1999. V. 35. P. 1-24.

73. Tovstik P.E. The Post-buckling Axisymmetrical Deflections of Thin Shells of Revolution under Axial-Loading//Technische Mechanik. 1996: B. 16. Helf 2. P. 117-132.

74. Yoshiyuki Y., Matsubara N. Buckling strength of metaLlining of a cylindrical pressure vessel // Bull. JSME. 1969. V.12. № 5L P. 421-429: