Амелина Е.В.   Голушко С.К.   Юрченко А.В.  

Задачи расчета и проектирования гибридных сосудов давления

Докладчик: Амелина Е.В.

Композитные гибридные баки высокого давления активно внедряются в ракетно-космическую отрасль, где к ним предъявляются повышенные требования по прочности и минимизации веса. Основной нагрузкой бака является высокое внутреннее давление, которое составляет десятки и сотни атмосфер. Перспективным решением является создание гибридных баков, состоящих из металлического (титанового) лейнера, усиленного многослойной оболочкой из волокнистого (углепластикового) композита. Гибридные конструкции обладают существенно большими возможностями по управлению их напряженно-деформированным состоянием.
Для надежного использования гибридных баков высокого давления требуется разработать и апробировать технологию прогнозирования и анализа их деформирования и прочности при типичных и повышенных нагрузках, изучить возможности по управлению характеристиками деформирования и прочности путем изменения геометрии бака, механических и структурных параметров композита, разработать и апробировать технологию оптимизации характеристик баков, в первую очередь – снижения его веса при сохранении полезной нагрузки.
Использование методов математического моделирования и численной оптимизации позволяет существенно сократить как продолжительность исследований по поиску наилучших параметров гибридной конструкции, так и стоимость этих исследований. Однако и на данном пути возникает ряд существенных трудностей: отсутствие надежных методов решения задач оптимального проектирования такого уровня сложности, проблемы численного моделирования подобных гибридных конструкций, связанные с выбором соотношений, адекватно описывающих поведение таких конструкций, и не слишком требовательных к вычислительным ресурсам.
В данной работе предложены подходы к решению прямых задач с применением ряда теорий оболочек и ряда структурных моделей композиционного материала. Продемонстрированы возможности по управлению напряженно-деформированным состоянием гибридных баков высокого давления. Найдены закономерности поведения бака для всех рассмотренных вариантов теорий оболочек и их сочетаний с различными моделями композиционных материалов, которые позволяют при поиске наилучших схем армирования бака использовать более простые теории и модели и существенно экономить вычислительные ресурсы и ускорять получение оптимальных решений.
Вторая часть работы посвящена решению задач оптимального проектирования сосудов давления минимального веса при заданных ограничениях по объему и прочности. На основании результатов предыдущего блока работ в качестве базовой теории выбрана классическая теория оболочек и структурная теория волокнистого композиционного материала с одномерными волокнами. Для решения поставленных задач использовались методы глобальной численной оптимизации. Полученные решения были верифицированы решением прямых задач с найденными параметрами.
В результате проведенных исследований разработана технологическая цепочка от анализа напряжений и деформаций к оптимальному проекту бака с заданными ограничениями на полезную нагрузку, задаваемую внутренним объемом бака и допустимым давлением газа. Для проектирования баков емкостью V* литров с допустимым давлением P*. проведен параметрический анализ характеристик прочности в зависимости от параметров композита, выполнена численная оптимизация при различных ограничениях на управляющие функции: форму бака, толщину стенки, углы армирования. Показано, что применение переменных вдоль образующей бака управляющих функций позволяет значительно снизить вес оптимального проекта в сравнении с проектом с постоянными характеристиками.