Вибрация vs. усталость
	Оценка усталостной долговечности при широкополосном случайном нагружении конструкции
	К основным видам широкополосного динамического нагружения ракеты при её старте и полёте относят вибрационные и акустические нагрузки, возникающие в результате работы реактивных двигателей. Еще одной причиной продолжительного динамического нагружения может стать пульсация давления в турбулентном приграничном слое на поверхности обтекателя, которая появляется после срыва набегающего потока воздуха. Одним из последствий которого будет генерирование высокочастотной вибрации. Дополнительными, но уже кратковременными (продолжительностью менее секунды) видами динамического нагружения, являются ударные воздействия, возникающие при срабатывании пиротехнических систем, или связанные с механическим воздействием, вызванным отделением ступеней или ускорителей. Оценка усталостной долговечности элементов конструкции при действие широкополосной случайной вибрации включает четыре основных этапа: 1. Получение отклика конструкции на вибрационные нагрузки, создаваемые работой маршевых двигателей и внешним акустическим давлением; 2. Вычисление реакции конструкции на аэродинамические нагрузки, возникающие из-за преодоления сопротивления воздуха; 3. Построение циклограммы усталостного нагружения от совместного действия случайных вибрационных нагрузок и нагрузок, которые можно считать квазистатическими; 4. Вычисление накопленных повреждений и оценка запасов усталостной прочности. Усталостный расчёт, как правило, является проверочным и должен подтвердить, что никакие изменения в спроектированную силовую конструкцию вносить не нужно, а принятые на основе статического анализа прочности или жёсткости решения являются правильными. В данной работе оценка долговечности будет рассмотрена на примере замков, удерживающих головной обтекатель до его отделения от ракеты. Для любых других элементов его конструкции алгоритм оценки останется тем же самым.
1. Параметры нагружения обтекателя
Случайная вибрация обтекателя, возникающая из-за работы двигательной установки, будет накладываться на аэродинамические нагрузки, вызванные прохождением ракетой плотных слоёв атмосферы. На рис. 3 представлены максимальные уровни ускорений по частотам в зоне переходного отсека при старте и полёте ракеты (‘envelope’, см. раздел 8.1). На рис. 4 представлена диаграмма изменения аэродинамических нагрузок во время полёта на уровне поперечного стыка головного обтекателя с переходным отсеком.
Особенности получения и приложения каждой нагрузки объяснены в разделах 8.1 и 8.2. Дополнительные ударные воздействия на конструкцию обтекателя, связанные со срабатыванием пиротехнических систем при разделении ступеней, обычно менее критичны, но должны учитываться, и будут рассмотрены в другой статье.
2. Описание метода расчёта
Существует несколько методов которые позволяют рассчитывать ресурс машиностроительных конструкций при действии случайной вибрации. Каждый из них разрабатывался под конкретный тип конструкции и особенности её нагружения, например, для расчёта автомобилей или железнодорожного транспорта. Основные отличия в методах заключаются в использовании различных способов схематизации действующих случайных процессов. Универсальной методики, которую можно использовать для анализа любой конструкции, на сегодняшний день не существует. Выбор наиболее подходящей зависит от целей расчёта, особенностей рассматриваемой конструкции, требуемой точности, доступных исходных данных и других факторов. Чтобы не перетяжелить головной обтекатель, необходимо было выбрать достаточно простые и одновременно достаточно консервативные подходы, которые позволят эффективно решить задачу расчётного определения усталостной долговечности элементов его конструкции. В итоге выбор был сделан в пользу следующих: 1. В качестве основы был выбран метод, предложенный Гриненко Н.И. и Шефером Л.А. [1], где для расчёта усталости используется всего три параметра случайного процесса: СКО, эффективная частота и структура (‘irregular factor’). Выбор был обусловлен особенностями силовой конструкции обтекателя. По опыту аналогичных расчётов известно, что отклик на заданный случайный процесс нагружения в выбранных для анализа местах будет близок к узкополосному процессу, с распределением амплитуд близким к нормальному закону распределения. При таких исходных данных этот метод даёт хорошее совпадение результатов расчёта и испытаний. 2. Оценка влияния статического смещения напряжений (‘the mean stress effect’) осуществляется по методике, разработанной в ГРЦ им. Макеева (г. Миасс). Критериями для её выбора было то, что рассчитываемая деталь изготавливается из алюминиевого сплава и нагружается случайным узкополосным процессом (см. раздел 6.3). 3. Влияние конструктивных отличий между испытанными лабораторными образцами и рассчитываемым элементом осуществляется по методике, предложенной Меньшиковым С.Я. [2]. 4. Накопленные усталостные повреждения вычисляются по формуле Пальмгрена-Минера без корректировок. Возможная ошибка компенсируется тем, что изначально завышены эксплуатационные нагрузки, т.к. были построены как огибающие по максимальным значениям ускорений, и тем, что расчёт производится для вероятности разрушения 1%. Наиболее существенным недостатком предложенного подхода является то, что рассчитывается комбинированный стык (‘combined splice’), состоящий из алюминиевого фланца, композитной панели и титанового крепежа, а предельное состояние для оценки долговечности может быть получено только для алюминиевой детали по кривой усталости лабораторных образцов. Отсутствие кривых усталости для болтовых соединений композитных стыков не позволит оценить возможность разрушения самого крепежа от т.н. ‘bolt bending effect’. Учесть этот эффект при расчёте несложно, но сравнить полученный в итоге результат будет просто не с чем. 2.1 Алгоритм решения задачи Алгоритм расчётного определения усталостных свойств элементов конструкции обтекателя упрощённо представлен в виде блок-схемы на рис. 5. Четыре этапа – это условный минимум, исходя из того, что раньше каждый этап (максимум два) выполнялся одним инженером с соответствующей подготовкой. Это снижало вероятность ошибки и существенно сокращало время расчёта. Несмотря на то, что математические модели и используемые компьютерные программы стали существенно более совершенными, и уже позволяют не ошибаться в усталостных расчётах на порядок, но такое деление стало только более явным.
<< Назад На главную Скачать статью (1.0Mb)