В зависимости от характера изменения испытательных нагрузок, которые прикладываются к объекту, испытаниям подвергаются как отдельные элементы ЛА с простейшими схемами нагружения, так и целые

1 Основная часть

1.1 Статические испытания

В зависимости от характера изменения испытательных нагрузок, которые прикладываются к объекту, испытаниям подвергаются как отдельные элементы ЛА с простейшими схемами нагружения, так и целые

С приложением всех нагрузок, действующих на ЛА в полете или при посадке.

1.1.1 Основные задачи статических испытаний

1. Определение несущей способности конструкции, т.е. максимальные нагрузки, выдерживаемой ЛА при определенных условиях;

2. Определение НДС (напряженно−деформированного состояния) элемента конструкции при воздействии как внешних нагрузок, так и температуры, а также сравнение их с теоретическими расчетами;

3. Оценка рациональности конструкции с точки зрения её прочности, жесткости и устойчивости.

Чем большее число элементов, узлов и деталей испытано в процессе статических испытаний, тем меньше вероятность появления ошибки в разрабатываемой конструкции.

1.1.2 Основные способы нагружения конструкции

Основные способы нагружения конструкции при проведении статических испытаний

1. Нагружение внешним (или внутренним) гидравлическим давлением. Пример: топливные баки, трубопроводы, баллоны высокого давления, герметичные корпусы приборных отсеков нагружаются внутренним давлением, т.е. в исследуемый объект нагружается жидкость (вода, спирто−глицериновая смесь) до заданного давления, которое контролируется манометром.

2. Нагружение внешними сосредоточенными силами (или распределенными) с помощью гидравлических или электрических силовозбудителей.

Особенности статических испытаний:

а) Процесс нагружения объекта испытаний статическими нагрузками разбивается на этапы. Каждый этап соответствует увеличению прикладываемой нагрузки с шагом, равным 10−20% от максимальной нагрузки при испытаниях.

б) На каждом этапе измеряют:

- деформации (напряжение);

- перемещение;

если напряжения превышают расчетные, то испытания приостанавливают для выяснения причины.

в) Если статические испытания проводят для выяснения фактических запасов прочности, то проводят испытания до разрушения нагрузкой, соответствующей расчетному случаю нагружения для испытуемого агрегата, постепенно её увеличивая.

г) Статические испытания позволяют проектировать конструкцию с минимальным запасом прочности, т.е. учитывая доработки после испытаний, а после этого получаем легкую по массе конструкцию.

Примечание: обычно при стат. испытаниях конструкция разрушается при нагрузке менее 100% расчетной, это свидетельствует о недостаточной прочности объекта испытаний.

Существуют различные способы статических нагружений:

− однократное;

− кратковременное;

− длительное; (10 − 10 час); 10 – 2·10 час)

− циклическое; (кривые усталости N=10−10)

Статические испытания проводят в специальных лабораториях: она имеет железобетонный пол, на который монтируются специальные колонки (индивидуальные или объединенные в арки) устанавливаются мостовые краны, силовозбудители и измерительная аппаратура.

1.1.3 Особенности нагружения ЛА осевыми усилиями и перепадом давления

Осевые усилия на конструкцию ЛА передаются через хомуты, которые крепятся к силовым элементам, при помощи тросов и силовозбудителей. Нагрузка создается прессом или с помощью гидравлических силовозбудителей и металлических тяг, которые устанавливают от 6 до 12 штук.

Неравномерно распределенные нагрузки создать достаточно сложно (внешние и внутренние). Такие нагрузки имитируются приближенно. При испытании баковых отсеков гидростатическая нагрузка создается при помощи избыточного давления жидкости в отсеке (рисунок 1).

1 – силовозбудиель;

2 – отсек;

3 – тяга.

Рисунок 1 – Схема нагружения бака. Эпюра нагружения

При испытании баковых отсеков гидростатическая нагрузка создается при помощи избыточного давления жидкости в отсеке. При этом создается максимально возможное расчетное давления в отсеке:

Чтобы проверить устойчивость крупногабаритных тонкостенных конструкций при воздействии равномерно распределенного внешнего давления, их помещают в специальные гидравлические бассейны. Если критическое давление не превышает внешнего, то нагрузка создается откачкой вакуумным насосом воздуха из внутренней полости испытуемого объекта. При необходимости создается герметизация специальными днищами.

1.1.4 Методика проведения испытаний при статическом нагружении

Прежде чем перейти к испытаниям, необходимо определить: требования к испытанию, характеристики объекта, время, отведённое на испытание, метод обработки его результатов и анализа

Перед проведением испытаний агрегата или конструкции в целом, необходимо:

1) Произвести тщательный осмотр конструкции и записать дефекты, установить основные размеры и подготовить места для постановки приборов;

2) Проверить приспособления и установки до закрепления на них испытываемой конструкции;

3) Проверить приборы, измерить деформации;

4) Проверить “О” силоизмерителя, тем самым устранив влияние массы конструкции и массы установленных приспособлений на показания силоизмерителя;

5) Установить ограждения, предохраняющие окружающие объекты от повреждений в момент разрушения конструкции и принять меры устраняющие возможность несчастных случаев.

1.2 Стенд статического испытания топливного бака

Целью стендовых статических испытаний на прочность является экспериментальное подтверждение прочности элементов РКТ при максимальных эксплуатационных и расчетных нагрузках. При этом решаются следующие задачи:

- определение напряженно-деформированного состояния при нагружении конструкции до максимальных эксплуатационных и расчетных нагрузок, во время стоянки изделия на ПУ и максимальных скоростных напорах во время полета;

- определение жесткостных характеристик корпуса и элементов РКН.

На стенде проводились испытания топливного бака

Максимальные габаритные размеры испытываемого изделия

- диаметр м 4,1

- высота м 12,0

Максимальные статические нагрузки кН До 3000

1.2.1 Стендовая система измерения и управления экспериментом на стенде статических испытаний

На стенде разработана система измерений (СИ), включающая в себя наземную кабельную сеть, кроссовое оборудование, регистраторы сигналов датчиков перемещения, силы, температуры и давления, тензостанции для тензоизмерений и аппаратно-программное обеспечение управления процессом испытаний, конфигурированием, метрологическим обслуживанием, обработкой и представлением результатов измерений в темпе эксперимента. Система спроектирована для многоканальных измерений (до 1000 параметров) медленно-меняющихся параметров (до 10 Гц).

Комплекс статических измерений (КСИ) - современное аппаратно- программное решение задачи массовой тензометрии, которое может быть применено в испытаниях различных конструктивных сборок, как современных, так и перспективных элементов РКТ. Применяемое для управления комплексом программное обеспечение позволяет с помощью плагинов проводить его доработки для оптимального соответствия поставленной задаче, например, в темпе проведения испытания рассчитывать суммарные нагрузки от разных силовых цепочек или рассчитывать механические напряжения и направления главных осей при обработке данных с тензорозеток.

1.2.2 Методика экспериментального определения несущей способности

гладких модельных оболочек при действии внутреннего избыточного

давления и осевого сжатия

1.2.2.1 Задачи экспериментального исследования

Экспериментальное определение несущей способности моделей топливных баков РСН сводится к опытному определению соотношений между основными действующими нагрузками при которых достигается предельное равновесие конструкции, т.е. к определению границы области значений разрущающих нагрузок.

Расчетными случаями нагружения для топливных отсеков ракет являются:

- максимум внутреннего давления в баков, обусловленного наддувом и весом столба жидкости компонентов топлива;

- максимум продольного нагружения;

- максимум нагрева конструкции;

- максимум поперечных нагрузок.

Все перечисленные нагрузки действуют на корпуса РСН комплексно, но в отдельные моменты времени, в зависимости условий полета на АУТ, наиболее опасных значений достигают указанные в расчетных случаях составляющие внешних силовых факторов. Наиболее характерным и опасным с позиций прочности для топливных отсеков является сочетание осевой сжимающй силы и внутреннего избыточного давления. Действие осевой сжимающей силы может привести к потере устойчивости оболочки корпуса РСН, а действие внутреннего давления – к ее разрушению от чрезмерных окружных напряжений. Комплексное действие этих силовых факторов на оболочку приводит к появлению более сложных эффектов в механизме разрушения конструкции. Выявление таких эффектов также составляет задачу экспериментального исследования несущей способности моделей топливных отсеков. Другой, не менее важной, задачей является определение границ области, которой соответствуют предельные сочетания силовых факторов, при которых оболочка может разрушиться.

Нагрев и изгибающие моменты являются дополнительными факторами, способствующими разрушению конструкций, однако учет этих факторов приведет к необходимости проведения более сложного многофакторного эксперимента, что уже выходит за рамки одной учебной лабораторной работы.

Таким образом задача экспериментального исследования несущей способности моделей топливных баков жидкостных ракет состоит в установлении эмпирической зависимости между критическими значениями внутреннего избыточного давления и осевого сжатия, а также в выявлении эффектов и механизмов разрушения моделей в однофакторном эксперименте. При этом, в качестве независимого аргумента целесообразно использовать фиксированные значения внутреннего давления, а разрушающие значения осевой сжимающей силы использовать в качестве отклика системы.

1.2.3 Лабораторная установка для исследования несущей способности моделей корпусов ракет с ЖРД

1.2.3.1 Назначение и состав установки

Разработанная установка предназначена для нагружения тонкостенных цилиндрических оболочек моделей корпусов жидкостных ракет внутренним избыточным давлением и осевыми сжимающими и растягивающими силами.

В состав установки (рисунок 2) входят следующие основные элементы: универсальная рама 1 для закрепления моделей корпусов РСН 2, гидравлический пресс 3, опора для герметизации оболочки 4.

Рисунок 2 – Установка для исследования несущей способности моделей корпусов ракет с ЖРД

Разработка универсальной рамы вызвана необходимостью создания лабораторной установки многоцелевого назначения, позволяющей закреплять модели РСН при различных способах нагружения. Установка не имеет прототипа.

Цель предложения – создать универсальную раму, позволяющую закреплять оболочки моделей РСН для нагружения внутренним и внешним избыточным давлением, осевой сжимающей и растягивающей силой, внешними термосиловыми нагрузками.

Предлагается рама в виде вертикальной стойки, собранной из стандартных стержней уголкового профиля, соединенных между собой в верхнем и нижнем основании шпильками с зазором. Зазор позволяет перемещаться опоре оболочки вдоль стойки и закреплять оболочку в требуемом положении с помощью прижимных винтов. Нижнее крепление стойки позволяет фиксировать ее положение на различном расстоянии от края лабораторного стола за счет перемещения стойки вдоль швеллера, закрепленного на столе. Крепление представляет собой шпильки, стягивающие стороны стоек и проходящие через пазы в швеллере. Стойка с зазором позволяет закреплять модельные оболочки, а также устройства для нагружения и средства измерений на различной высоте и под требуемым углом к линии горизонта. Зазоры выполняют также роль направляющих при осесимметричном осевом нагружении оболочек.

Технико-экономическая эффективность достигается путем применения простых технологических операций, доступных материалов и компактного размещения рамы на рабочем столе. Стоимость всего устройства соизмерима со стоимостью конструкционных материалов (и весьма невелика), но сама установка позволяет выполнять практически полный комплекс лабораторных исследований по нескольким дисциплинам кафедры №12 (Строительная механика конструкций и сооружений, Динамика конструкций, Ракеты стратегического назначения). Таким образом экономятся значительные средства на создание различных установок для проведения лабораторных работ по нескольким дисциплинам кафедры.

Разработка гидравлического пресса обусловлена необходимостью использования в лабораторной установке для растяжения и сжатия моделей специального устройства, позволяющего развивать осевые усилия, как при растяжении, так и при сжатии, достаточные для полного разрушения модельных оболочек, при небольших габаритах и малом весе, а также, позволяющего проводить измерение величины усилий при нагружении оболочек. Прототипом такого устройства является разрывная машина. Однако, применение разрывной машины неприемлемо по причине ее больших габаритов и веса.

Цель предложения: создать малогабаритное устройство для растяжения и сжатия моделей, позволяющее проводить замер прикладываемых осевых усилий в процессе нагружения.

Для достижения цели предлагается использовать пневматический цилиндр с выдвигающимся штоком, преобразованный после замены уплотнительных соединений в гидравлический цилиндр. Гидравлический цилиндр закрепляется в пазах вертикальной стойки на оси с втулкой путем поджатия с двух сторон гайками. Работа осуществляется в следующем порядке. Модельная оболочка устанавливается внутри вертикальной стойки в опоре. С помощью ручного насоса в гидроцилиндр подаётся под давлением масло, что и приводит к выдвижению штока. Усилие штока передается на оболочку через верхнюю опору, которая начинает двигаться вниз по направляющим пазам стойки, чем и вызывает деформацию модельной оболочки. При растяжении оболочки масло под давлением подаётся в нижний штуцер гидроцилиндра, что приводит к подниманию штока. Так как шток и модельная оболочка в опоре соединена со штоком с помощью цапфы, то происходит растяжение модельной оболочки.

Технико-экономическая эффективность предложения достигается применением доступных материалов, простых технологий изготовления, возможностью многократного применения, уменьшением массы и габаритов более чем в100 раз по сравнению с прототипом.

Предложение внедрено в учебном процессе в составе лабораторной установки для комплексного нагружения модельных оболочек.

Предлагается универсальная опора для нагружения моделей топливных баков РСН.

Причиной разработки предложения является необходимость использования в лабораторной установке опор для нагружения оболочек моделей различными видами нагрузок.

Цель предложения: создание опор, обеспечивающих универсальное закрепление модельных оболочек для комплексного нагружения осевыми силами, внутренним давлением и внешними нагрузками, а также позволяющих осуществлять герметизацию внутренних полостей оболочек, вертикальное и горизонтальное закрепление оболочек под любым углом на различной высоте, с фиксацией нижней и (или) верхней частей опоры.

Для достижения этой цели предлагается опора из алюминия, состоящая из верхней части, промежуточной части нижней части. В верхней части опоры имеется центральное отверстие с резьбой для вкручивания упора, а также отверстие с резьбой для установки штуцера. Промежуточная часть состоит из двух симметричных частей, стягиваемых между собой болтами. Нижняя часть опоры имеет углубление для установки нижнего днища оболочки. Верхняя часть опоры соединяется с промежуточной частью и нижней с помощью стягивающих шпилек. Для фиксации опоры на требуемой высоте при необходимом угле наклона в верхней части опоры имеются отверстия с резьбой для установки крепежных винтов. Для соединения опор между собой и для крепления к ним дополнительных устройств в каждой части опоры имеются отверстия для установки соединительных шпилек.

Суть предложения состоит в том, что для закрепления и герметизации оболочки две симметричные составляющие промежуточной части опоры подводятся под обвальцованную верхнюю кромку оболочки и стягиваются между собой, обеспечивая жесткий захват оболочки. Промежуточная опора соединяется с верхней опорой с помощью болтового соединения. Такая верхняя опора позволяет осуществлять консольное соединение оболочек на любой высоте и под любым углом на стойке установки путём зажима с помощью боковых винтов в пазах стойки в требуемом положении. Такое крепление оболочек используется для нагружения оболочек внутренним давлением и для воздействия на оболочку внешних факторов (воздушной ударной волны, кинетических ударников, теплового излучения и т.д.). Для создания осевых нагружений используется дополнительное нижнее основание опоры. Для этого нижняя часть оболочки устанавливается в углубление нижней части опоры. Верхняя и нижняя части опоры стягиваются шпильками. Шпильки выполняют роль одновременно крепёжного соединения

и направляющих для осесимметричного осевого сжатия. При этом крепёжные винты также обеспечивают строгую вертикализацию опоры при действии осевых нагрузок.

Экономический эффект от внедрения универсальной опоры обеспечивается применением простой технологии изготовления, доступных материалов, существенным снижением веса (более, чем в 100 раз по сравнению с опорами, используемыми при испытании промышленных моделей оболочек) и, соответственно, стоимости и габаритов таких опор, возможностью их многократного универсального применения.

Предложение внедрено в составе лабораторной установки для нагружения оболочек внутренним давлением по дисциплине «Строительная механика конструкций и сооружений».

1.2.3.2 Экспериментальное исследование несущей способности гладких оболочек при действии осевых сил и внутреннего давления

Экспериментальные исследования гладких цилиндрических оболочек показывают, что под действием внутреннего давления критические сжимающие напряжения вначале повышаются, но, начиная с некоторого значения давления , наблюдается падение критических напряжений. При сравнительно больших давлениях критические сжимающие напряжения могут оказаться меньше, чем при осевом сжатии (р=0).

С увеличением интенсивности внутреннего давления форма потери устойчивости оболочки при осевом сжатии непрерывно изменяется. При нагружении только осевой нагрузкой потеря устойчивости сопровождается образованием глубоких, обращенных к центру кривизны, ромбовидных вмятин. При малом давлении образуются вмятины, вытянутые в окружном направлении. По мере увеличения интенсивности давления длина вмятин вдоль дуги увеличивается. При значительном внутреннем давлении образуются сплошные кольцевые складки, что соответствует осесимметричной форме потери устойчивости.

Критические напряжения сжатия с учетом одновременного действия внутреннего давления

(1.1)

Разрушающая осевая сила при нагружении оболочки давлением только в окружном направлении (рисунок 4.2 а)

(1.2)

Значения коэффициентов , полученные в результате многочисленных экспериментальных исследований, представлены на графиках (рисунок 4.3), где - безразмерный параметр давления, а

- величина нормального давления.

Как видно из графиков, с увеличением коэффициент вначале увеличивается. Кривая А может быть представлена выражениями:

(1.3)

При

Здесь

Начиная с давления наблюдается снижение коэффициента , которое представлено семейством кривых в зависимости от отношения . Чем больше , тем при больших давления наступает начало снижения .

Рисунок 1.2(а,б) – Схема нагружения оболочек

Для конструкций, в которых оболочка является частью емкости (рисунок 4.2 б), несущая способность на осевом сжатие увеличивается за счет действия в осевом направлении разгрузки от давления. С учетом этого абсолютная величина разрушающей осевой силы

(1.4)

Рисунок 1.3 – Результаты исследования

1.3 Основные проектные параметры

Под основными проектными параметрами проектируемой испытательной системы понимают группу независимых параметров (переменных), однозначно определяющих основные массовые, геометрические и энергетические характеристики данной системы.

Целью задачи выбора основных проектных параметров является нахождение такого их сочетания, которое обеспечивает выполнение основной задачи испытания (определение количественных и качественных свойств объекта испытаний) при наличии конечного числа ограничений (например, габаритные и массовые характеристики объекта испытаний).

Основные проектные параметры для разработки испытательного стенда включают в себя:

1) Основные требования, предъявляемые к разрабатываемым стендам;

2) Основные данные об объекте испытания, для испытаний которого предназначен испытательный стенд;

3) Конструктивные и габаритные характеристики разрабатываемого стенда;

4) Назначение испытательного стенда, основные виды и категории проводимых на стенде ис­пытаний;

5) Перечень измеряемых параметров и выбор типа измерительных преобразователей для их измерения;

6) Вспомогательное оборудование для транспортировки и установки объекта испытания на стенд.

1.3.1 Основные требования, предъявляемые к разрабатываемым стендам

На практике к конструкции стенда предъявляют следующую совокупность требований:

- обеспечение необходимой ориентации и надежного крепления средств испытаний (стапелей, подвесок, вспомогательных агрегатов);

- не допускать искажения результатов испытаний;

- планировка стенда должна обеспечивать качественное проведение измерений, визуальное наблюдение с помощью телевизионной аппаратуры, проведение видео- и киносъемок процесса работы объекта испытания;

- удобство эксплуатации испытательного оборудования при подготовке и проведении испытаний;

- стенд должен обладать необходимым запасом прочности и обеспечивать надежную защиту технического персонала и окружающих зданий в случай аварии.

- наличие железнодорожной колеи для доставки крупногабаритных изделий.

1.4 Топливные баки

1.4.1 Классификация баков

Топливные баки предназначены для размещения компонентов топлива. Они должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Иметь достаточную прочность и жесткость при малой массе.

2. Обладать устойчивостью против коррозии.

3. Простота конструкции, технологичность при изготовлении и
удобство при эксплуатации;

4. Конструкция заборных устройств баков должна обеспечивать
минимальное количество незабора компонентов топлива.

5. Доступность материалов, применяемых при изготовлении баков.

По конструктивно-компоновочной и силовой схеме баки делятся на несущие и подвесные (ненесущие).

Несущими баками (рисунок 2) называют такие, корпус которых включается в общую силовую схему ракеты. Эти баки воспринимают на себя не только нагрузку от внутреннего давления, но и воспринимают внешние нагрузки, действующие на ракету.

Подвесные баки (ненесущие) воспринимают только гидростатическое давление и давление наддува (рисунок 1).

Чаще применяются несущие баки, т.к. при этом уменьшается масса ракеты. Преимущества ненесущих баков – при компоновке ракеты их удобно теплоизолировать, поэтому ненесущие баки применяются на верхних ступенях ракеты.

По схеме системы подачи различают две другие категории баков: с турбонасосной системой подачи компонентов топлива в камеру сгорания, т. е баки низкого давления, и вытеснительной системой подачи, т.е. баки высокого давления.

1 – узел крепления бака; 2 – корпус ракеты; 3 – бак; Р_над – давление наддува в баке

Рисунок 1.7.1 – Схема ненесущего бака

Р_над – давление наддува в баке; М, U и Q – изгибающий момент, осевая и перерезывающая силы, воспринимаемые конструкцией несущего бака

Рисунок 1.7.2 – Схема несущего бака

1.4.2 Конструктивные схемы топливных отсеков

На рисунке 1.7.1 и 1.7.2 показаны схемы ненесущего и несущего баков. На рисунке 1.7.3 — конструктивные схемы топливных отсеков. Ненесущие баки с раздельным расположением (рисунок 3,а) просты в изготовлении. По условиям прочности днища баков сферические. В свободном межбаковом пространстве размещают приборы и агрегаты. Для уменьшения длины и веса ракеты чаще применяют несущие топливные отсеки с промежуточным (совмещенным) днищем (рисунок 3,б). Такие баки сложнее в производстве, так как необходимо обеспечить герметичность сварных швов промежуточного днища во избежание смешивания компонентов.

Сферические баки (рисунок 3,в), раздельно расположенные, предпочтительнее применять для низкокипящих компонентов топлива, т. к. сферический бак при одинаковой емкости с цилиндрическим имеет меньшую поверхность и, следовательно, масса его теплоизоляции будет меньше, кроме того, при одинаковом давлении наддува масса сферического бака меньше, чем цилиндрического.

Для уменьшения массы ракеты сферические ненесущие баки бывают с совмещенными днищами. Топливные отсеки со сферическими баками целесообразно применять только у мощных РН, у которых можно сбросить в полете тяжелую теплоизоляцию, предохраняющую баки от нагрева при движении в плотных слоях атмосферы.

На последней ступени ракеты можно применять топливные отсеки в виде тора с промежуточным днищем. При такой схеме топливного отсека компоновка ракеты получается более компактной, и уменьшаются габариты ракеты, хотя масса ракеты будет несколько больше, чем при применении цилиндрических или сферических баков.

а – раздельное расположение баков; б – топливный отсек с промежуточным днищем; в – топливный отсек с шаровыми баками; г – топливный отсек с шаровыми баками, разделенными промежуточным днищем; д – торовый топливный отсек с промежуточным днищем

Рисунок 1.7.3 — Конструктивные схемы топливных отсеков

1.4.3 Конструкция корпусов топливных баков

Топливные баки состоят из корпуса и арматуры, предназначенной для заправки баков топливом и надежной подачи топлива в двигатель. Основным элементом корпуса цилиндрического бака является стенка бака, верхнее и нижнее днища, распорно-стыковочные шпангоуты. Стенка бака представляет собой силовую оболочку, воспринимающую как избыточное внутреннее давление, так и внешнее воздействие в виде изгибающего момента, осевых и перерезывающих сил. Стенки бака в виде гладких или подкрепленных оболочек собираются из отдельных панелей или обечаек. Подкрепленные оболочки могут иметь либо только продольный набор в виде стрингеров (рисунок 4), либо только поперечный набор в виде шпангоутов, либо продольно-поперечный силовой набор в виде стрингеров и шпангоутов.

Рисунок 1.7.4 – Панель с ребрами жесткости (стрингерами)

В последнее время применяются силовые оболочки вафельной конструкции (рисунок 5). Они выгодны в весовом отношении, но довольно сложны в производстве. Обечайка (стенка бака) может быть гофрированной и сотенной конструкции. Продольный силовой набор применяется в том случае, когда давление наддува в баках недостаточно для компенсации больших сжимающих сил, действующих на ракету в полете. Выбор же более высокого давления наддува требует увеличения массы топливного отсека на большую величину, чем масса продольного силового набора. Надобности в продольном силовом наборе нет, если для обечайки имеет место соотношение

Р ,

где Р – давление наддува ,

N_x – сжимающая осевая сила ,

d – диаметр обечайки бака.

Рисунок 1.7.5 – Панель типа вафли

Конструктивно баки представляют собой цилиндрические емкости, состоящие из:

- корпуса;

- верхнего и нижнего днищ;

- внутрибаковых устройств.

Баки могут выполняться как в виде отдельных отсеков для размещения окислителя и горючего, так и виде единого топливного отсека, в котором полости окислителя и горючего разделены промежуточным днищем.

Внутри баков размещены:

- датчики системы управления расходом топлива;

- датчики системы контроля уровня заправки;

- заборные устройства для безкавитационного расхода топлива;

- демпферы (поперечные и продольные);

- устройства равномерного распыления газа наддува баков и т.д.

Баки снабжены люками лаза для монтажа внутрибаковых элементов конструкции. На наружной стороне баков проложены желоба кабельной сети и трубопроводов ПГС. Для изготовления баков используются следующие материалы:

- алюминиевые сплавы АМгб, АМгбН, АМгбМ, АМгбНН;

- стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Т-ВД.

Материалы подвергаются ультразвуковому контролю на предмет выявления внутренних дефектов металла. Для перехода от алюминиевых элементов конструкции к стальным используются биметаллические переходники, изготовленные штамповкой из биметаллических листов или сваркой трением. Корпуса баков и несущих конструкций изготавливаются из "вафельных" обечаек, выполненных из плит, закатанных в нужный диаметр и сваренных аргоно-дуговой или контактно-стыковой сваркой. После чего осуществляется механическое фрезерование ячеек с использованием станков с программным обеспечением и следящей системой, контролирующей разброс толщин в процессе изготовления. Применение вафельных конструкций цилиндрический топливных баках позволяет снизит общую массу конструкций приблизительно 2 раза. Вафельная оболочка изготовляется штамповкой химическим травлением или механическим фрезированием.

Под вафельной оболочки понимают конструктивные ортотропные оболочки часто расположенных подкрепляющим набором который изготовлена заодно со стенкой. Конструктивно также различают:

- с продольно - кольцевым расположением ребер

- с перекрестным расположением

- с перекрестно – кольцевым

У таких оболочек возможность 2 вида разрушений:

- Потеря устойчивости части оболочки заключенной между подкрепляющим набором

- Потеря устойчивости оболочки с одновременным разрушением подкрепляющим набора

1.5 Расчетная часть

1.5.1 Расчет вафельной цилиндрической оболочки на прочность

Под вафельными оболочками будем понимать конструктивно ортотропные оболочки с часто расположенным подкрепляющим набором, изготовленным заодно со стенкой.

Рисунок 1.8 - Вафельная цилиндрическая оболочка

Исходные данные:

Предел прочности: =320 [МПа]

Модуль упругости: Е=7*10⁴ [МПа]

Эффективность подкрепления: =6

Коэффициент пропорциональности: =0,6

Коэффициент устойчивости: к=0,3

Коэффициент подкрепления оболочки: =0,6

Коэффициент безопасности: f= l,5

Толщина: =0,006 [м]

Эксплуатационные давления: Р=(3,6,9,12,15) [атм]

Диаметр ТБ D=4,1 [м]

Решение:

Определяем толщину исходного листа по формуле:

[м]

Так как R/ ≤ 200 величина расчетной силы находиться по формуле:

2*3.14*0.3*7* [Па]

При заданном значений силы эквивалентную толщину можно определить из следующего соотношения:

[м]

Будем считать, что шаг и ширина ребер в продольном и поперечном направлениях равны, т.е. a=b, s=c (. Тогда для расчета шага и ширины ребер справедливы следующие формулы:

a=b=

s=c=

Тогда получаем,

[м]

a= =0,1459 [м]

s= [м]

При данных характеристиках топливный бак проверяем на прочность. В баке, который находится под давлением, возникает кольцевые и осьевые напряжения, и определяются по формуле:

Рабочее давление рассчитывается с учетом коэффициента запаса по формуле:

Условия прочности заключается в том, что кольцевые напряжения должны быть меньше чем предел прочности, т.е. . Тогда получаем:

При P=3*

[МПа] =320 [МПа], выполняется;

При P=6*

[МПа] =320 [МПа], выполняется;

При P=9*

[МПа] =320 [МПа], выполняется;

При P=12*

[МПа] =320 [МПа], выполняется;

При P=15*

[МПа] =320 [МПа], выполняется;

Условие прочности выполняется для всех рабочих давлений.

2 Технологическая часть

2.1 Технологичность конструкции

Соответствие совокупности конструктивных характеристик изделия, заложенных в его проекте, требованиям производства называется технологичность конструкции изделия.

Технологичность конструкции – это совокупность ее свойств, которые проявляются в реализации оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства и эксплуатации ЛА. Технологичность конструкции имеет несколько аспектов, которые характеризуют различные этапы работы:

­ производственная технологичность, определяется условиями изготовления;

­ эксплуатационная технологичность, определяется условиями хранения, транспортировки, выполнения технического обслуживания в процессе подготовки к пуску.

Технологичность конструкции проявляется через ее рациональность и преемственность.

Технологическая рациональность – это совокупность свойств изделия, которые характеризуют конструкцию в плане соответствия принятых конструктивных решений условиями производства и эксплуатации.

Повышению технологичности конструкции способствуют:

­ членение изделия на отсеки, агрегаты, панели;

­ использование простых форм элементов;

­ ограничение номенклатуры составных частей, конструктивных элементов и материалов,

­ применение в разрабатываемых конструкциях освоенных в производстве конструктивных решений, соответствующих современным требованиям;

­ использование конструктивных решений, позволяющих упростить доступ к составным частям, их установку и съем;

­ использование конструктивных решений, обеспечивающих возможность транспортировки изделия в собранном виде или в виде законченных составных частей.

Поскольку условия производства и эксплуатации изменяются со временем, то технологическая рациональность конструкции рассматривается применительно к конкретным условиям. Преемственность конструкции представляет собой совокупность таких свойств, которые выражают технологичность конструкции с точки зрения повторяемости и изменяемости, принятых в ней инженерных решений. Она характеризуется уровнем использования унифицированных и стандартных составных частей изделия и конструкторских элементов деталей (резьбы, крепления, проточек, отверстий и т.д.), повторяемостью составных частей изделия, конструкторских элементов деталей, материалов и т.д.

2.2 Обеспечение технологичности

Работы по обеспечению технологичности конструкции ЛА начинаются с эскизного проектирования.

При эскизном проектировании выбираются формы поверхностей основных частей ЛА, определяются материалы для изготовления основных элементов конструкции и т.д.

На этапах технического и рабочего проектирования обеспечиваются соответствия конструкции, как общим, так и частным технологическим требованиям, отражающим возможности конкретных процессов разработки и сборки.

Проектируя какую-либо часть ЛА, конструктор с учетом масштаба выбирает наиболее эффективный технологический процесс, намечает общие конструктивные формы проектируемого объекта, соответствующие особенности выбранного процесса, и при детальной разработке конструкции выбирает такие ее параметры, которые обеспечивают получение наилучших технико-экономических показателей при изготовлении объекта.

Общие технологические требования к конструкции, выполнение которых способствует обеспечению технологичности конструкции не зависимо от масштаба производства:

­ простота форм частей изделия. В общем случае обработка линейных (плоских, цилиндрических, конических) поверхностей проще, чем поверхности двойной кривизны. Поэтому желательно максимальное использование конструкции линейной поверхности;

­ рациональное членен6ие конструкции на элементы. Конструкция должна быть расчленена на агрегаты, узлы и детали таким образом, чтобы при изготовлении и сборке всех ее элементов можно было широко использовать имеющиеся средства механизации технологических и вспомогательных процессов и обеспечить удобство выполнения ручных работ;

­ максимальное использование в конструкции легкообрабатываемых материалов;

­ отсутствие чрезмерно высоких требований к точности размеров, формы, расположения и к чистоте обработки поверхностей элементов конструкции.

В общем случае обработка и сборка элементов конструкции значительно усложняется при повышении требований к их точности:

­ наличие подходов для контроля качества всех элементов конструкции непосредственно в изделии;

­ возможно более широкое применение в конструкции нормализованных и стандартных деталей и узлов. В процессе стандартизации и нормализации элементов конструкции подвергаются тщательному всестороннему анализу, отработке и практической проверке. Применение стандартных элементов в конструкциях значительно облегчает получение изделия высокого качества;

­ возможно большая унификация элементов конструкции, которая приводит к увеличению повторяемости отдельных элементов конструкции и, следовательно, к увеличению масштаба производства этих элементов при неизменном масштабе выпуска собранных изделий.

­ возможно большая преемственность конструкций, т.е. возможно более широкое использование в конструкциях отдельных элементов раннее созданных, освоенных в серийном производстве и проверенных в эксплуатации изделий. Это создает возможность широкого применения в производстве хорошо отработанных, уже освоенных процессов обработки и сборки, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели.

2.3 Оценка технологичности конструкции

Оценку технологичности проводят при сравнении вариантов конструкции в процессе проектирования изделия, а также для определения уровня технологичности спроектированного (или готового) изделия.

Оценка технологичности может быть качественной или количественной.

Качественную оценку используют при сравнении вариантов конструкции в процессе проектирования изделия в тех случаях когда, не требуется определения степени различия технологичности сравниваемых вариантов конструкции. На основании качественной оценки технологичности, с дополнительной затратой времени на определение численных значений показателей, проводят количественную оценку технологичности конструкции.

Количественная оценка позволяет более точно определить соотношение сравниваемых вариантов конструкции или оценивать технологичность проектируемой конструкции.

Наиболее полно оценить технологичность можно, определяя все виды затрат в цикле исследования – разработка – производство. Однако это связанно с выполнением громоздких расчетов, причем ряд соответствующих расходов становится известным только после освоения серийного производства изделия.

На практике для оценки технологичности используют такие известные показатели как трудоемкость, себестоимость, затраты на оснастку, трудоемкость подготовки изделия к функционированию, коэффициент использования материала К_ИМ:

, (6.1)

где G_U – масса изделия,

G_М – суммарная масса материалов, затрачиваемая на изготовление одного изделия.

В большинстве случаев оценку технологичности ведут сравнением характеристик так называемого изделия – аналога. За изделие – аналог принимают изготовленное изделие аналогичного назначения и структуры, с близкими техническими характеристиками, в конструкции которого применены наиболее перспективные технические решения. Уровень технологичности вычисляют по формуле:

, (6.2)

где У_i – уровень технологичности по i -му показателю,

П_дi – достигнутое в процессе разработки изделия i -го показателя,

П_бi – базовое значение i -го показателя технологичности.

В случае отсутствия подходящего изделия - аналога определяют показателя для составляющих частей изделия.

К сожалению, точное определение показателей технологичности на ранней стадии проектирования не возможно. Поэтому, наряду с основными показателями, используют дополнительные показатели технологичности, например, уровень механизации сварки :

, (6.3)

где L_м и L_р – суммарные длины швов, выполненные механизированной и ручной сваркой.

При анализе технологичности различных вариантов могут быть использованы два метода. В первом, в качестве критерия оптимизации используют один, наиболее важный для данных условий, показатель технологичности. Во втором – показатели с наилучшими значениями основного критерия при условии, что остальные показатели не выходят за установленные пределы.

2.4 Выбор конструкционных материалов

Выбор материала конструкционного элемента является важным шагом поиска конструктивного решения, поскольку от выбора материала зависят массовые, технологические, эксплуатационные и другие свойства конструкции.

При выборе материала необходимо учитывать: массовые, прочностные характеристики, свариваемость материала, пластические свойства, которые обеспечивают возможность получения листов малой толщины, профилей различного сечения, антикоррозионные свойства, приемлемую стоимость.

Перечисленные требования очень сложно сочетать в одном материале.

Поэтому, в зависимости от назначения конструкционного элемента, для которого осуществляется выбор материала, используемых методов соединения элементов и некоторых других факторов выделяют определяющие требования, выполнение которых должно быть обеспечено в первую очередь.

Как правило, определяющим требованием является требование минимальной массы при условии неразрушимости конструкции.

Эта задача может быть сформулирована следующим образом. Работоспособность конструктивного элемента описывается условием:

, (6.4)

где - расчетное напряжение;

- разрушающее напряжение;

- предел прочности на сжатие (расширение);

- критическое напряжение.

То есть, расчетные напряжения не должны превышать разрушающих напряжений (предела прочности на сжатие (расширение) или критических напряжений). Требуется выбрать материал с такими физико-механическими свойствами (ρ – плотность материала, σ_{В -} предел прочности на сжатие (расширение), Е – модуль упругости), которые обеспечивают минимум массы элемента, то есть:

, (6.5)

где - материал, характеризуемый некоторым набором значений его свойств.

При количественных оценках массового совершенства используют, в основном, два показателя:

­ – для элементов конструкции, работающих на растяжение;

­ - для элементов конструкции, работающих на сжатие.

В конструкциях РН находят применение различные материалы: специальные легированные стали, мягкие сплавы, цветные металлы, различные виды пластмасс, клеи, краски. Правильный выбор материалов для элементов конструкции может существенно улучшить весовые и летно-тактические характеристики РН, а так же является важным шагом поиска конструктивного решения, поскольку от выбора материала зависят массовые, технологические, эксплуатационные и другие свойства конструкции.

При этом необходимо учитывать:

­ массовые и прочностные характеристики;

­ свариваемость материала;

­ пластические свойства, которые обеспечивают возможность получения листов малой толщины, профилей различного сечения;

­ антикоррозионные свойства;

­ стоимость.

Перечисленные требования очень сложно оптимально сочетать в одном материале. Поэтому в зависимости от назначения конструктивного элемента, для которого осуществляется выбор материала, используемых методов соединения элементов и некоторых других факторов выделяют определяющие требования, выполнение которых должно быть обеспечено в первую очередь.

Как правило, определяющим требованием является требование минимальной массы при условии не разрушаемости конструкции.

Таким образом, в соответствии с выше перечисленными критериями и выбором материала все основные детали топливных баков (днища, шпангоуты обечайки, фланцы и т.д.) будут выполнены из алюминиевого сплава АМг-6М, обладающего достаточной прочностью, пластичностью и хорошей свариваемостью.

3 Безопасность жизнедеятельности

В летательных аппаратах имеются системы и устройства, работаю­щие под давлением газа и жидкости. К ним относятся топливные баки, трубопроводы, амортизаторы, приводы и др.

Указанные системы и устройства в процессе их изготовления и сборки могут подвергаться испытаниям с использованием сжатого возду­ха. Эти испытания относятся к числу особо сложных и опасных.

Безаварийная и безопасная работа при пневмоиспытаниях зависит от технической подготовленности рабочих и инженерно-технического состава, соблюдения ими технологии, правил и инструкций по технике безопасности.

Пневмоиспытания могут включать в себя испытания на прочность и испытания на герметичность. Степень опасности этих испытаний опреде­ляется произведением испытательного давления Р на объем испытуемого устройства.

Пневмоиспытания проводятся с применением специальных защитных бронеустройств, к которым предъявляются особые требования в отноше­нии прочности и надежности.

Пневмоиспытания проводятся строго по программам под руководством ответственного за испытания, назначаемого из числа инженерно-техничес­кого состава. Проводить испытания разрешается только на исправном оборудовании с защитными бронеустройствами, системами блокировок и сигнализации при строгом соблюдении правил безопасности труда.

3.1 Требования техники безопасности к устройству и эксплуатации сосудов, работающих под давлением

На предприятиях авиационной промышленности широко используются сосуды, работающие под давлением. К таким сосудам относятся гермети­чески закрытые емкости, в которых хранятся и транспортируются сжатые, сжиженные и растворенные газы.

Сосуды могут быть стационарными и передвижными. Они могут быть различного конструктивного оформления, включая баллоны, бочки, цис­терны, их объем может быть разным. Интервал температур и давлений ра­бочих газов - очень широк. По способу изготовления сосуды подразделя­ются на сварные и литые.

Основными причинами разрушений сосудов, работающих под давлени­ем газов, являются:

1) превышение давления внутри сосудов сверх допустимого;

2) коррозия внутренних стенок сосудов;

3) нарушение герметизации;

4) отсутствие или неисправность контрольно-измерительных прибо­ров и арматуры;

5) нарушение режима эксплуатации сосудов.

Для изготовления сосудов работа под давлением газов, применяются материалы, обладающие технологической свариваемостью, а также прочностными пластическими характеристиками. При выборе материала необходимо учитывать возможность изменения его исход­ных физико-механических свойств под действием окружающей и рабочей среды.

После изготовления все сосуды подвергаются гидравлическим испытаниям. Сосуд считается выдержавшим гидравлическое испытание, если отсутствуют признаки разрыва, течи и потения, видимые остаточные деформации.

Заводом-изготовителем на корпусе сосуда прикрепляется металлическая пластинка, где указываются целый ряд данных, в том чис­ле: завод-изготовитель, заводской номер сосуда, год изготовления, рабочее, расчетное и пробное давление, допускаемая температура стенок. К сосудам прилагаются также паспорт и инструкция по монтажу и безопасной эксплуатации.

Наружная поверхность баллонов окрашивается в цвет, соответству­ющий рабочему телу, с нанесением полос и указанием газа. Маркиров­ка баллонов для некоторых газов приведена в таблице 1

Таблица 1

Газ	Окраска баллонов	Текст надписи	Цвет надписи	Цвет полосы
Азот	Черная	Азот	Желтый	Коричневый
Ацетилен	Белая	Ацетилен	Красный	--
Водород	Темнозеленая	Водород	Красный	--
Воздух	Черная	Сжатый воздух	Белый	--
Кислород	Голубая	Кислород	Черный	--
Углекислота	Черная	Углекислота	Желтый	--
Хлор	Защитная	--	--	Зеленый
Этилен	Фиолетовая	Этилен	Красный	--

На предприятиях сосуды, как правило, устанавливаются вне про­изводственных помещений на открытых площадках, в местах, исключаю­щих скопление людей. Они должны быть установлены так, чтобы их мож­но было осмотреть, а при необходимости и отремонтировать. Сосуды под давлением снабжаются:

1) приборами для измерения давления и температуры среды;

2) предохранительными устройствами (клапанами, мембранами);

3) запорной арматурой;

4) указателями уровня жидкости.

Если рабочее давление в сосуде меньше давления питающего его источника, то на подводящем трубопроводе устанавливается автома­тическое редуцирующее устройство, снижающее давление с величины со­ответствующего давлению источника питания до рабочего давления. Ре­дуцирующее устройство имеет манометры и предохранительный клапан.

На каждом сосуде после его установки и регистрации указываются: регистрационный номер, разрешенное давление, дата (число, месяц и год) следующего наружного и внутреннего осмотра и гидравлического испытания.

Сосуды, работающие под давлением, периодически подвергаются техническому освидетельствованию (наружному и внутреннему осмотра и гидравлическому испытанию). Результаты освидетельствования заносятся в паспорт сосуда.

Наружный и внутренний осмотры проводятся не реже одного раза в год. При этих осмотрах выявляются и устраняются дефекты, снижающие прочность сосуда.

Гидравлические испытания с предварительным внутренним осмот­ром проводятся не реже одного раза в восемь лет.

3.2 Меры безопасности при работе со сжатыми газами

Во время выполнения операций по наддуву баллонов или баков РКН операторам аппаратуры и систем запрещается отлучаться от пультов и блоков выдачи газов до окончания операции наддува.

Подачу сжатых газов на борт РН прекратить немедленно, если результат выполняемой операции отличается от указанного в инструкции и в случае появления негерметичности в соединениях РКН или в наземных пневмокоммуникациях.

При выполнении работ по проверке герметичности РКН запрещается:

- держать под избыточным давлением не используемые в данной операции пневмокоммуникации;

- оставлять незаглушенными концы шлангов и металлорукаков, соединенных с источниками сжатых газов высокого давления;

- производить подтяжку соединений пневмомагистралей, находящихся под давлением;

- снимать заглушки и приспособления или отсоединять пневмомагистрали, не убедившись в отсутствии в них давления;

- резко открывать вентили магистралей, находящихся под давлением;

- заполнять сжатыми газами емкости РКН до давления, превышающего указанные пределы;

- подавать сжатые газы в металлорукава от источника с давлением, превышающим допустимый для данного типа металлорукавов предел;

- подавать сжатые газы к коммуникациям и системам без предварительной проверки их состояния;

- находиться на ступенях РКН во время операции наддува баллонов или баков.

Дата добавления: 2015-09-29