Программно-ориентированный подход к анализу перемещений в контактно-стесненных оболочечных конструкциях
Авторы: Егоров А.В.
Опубликовано в выпуске: #4(100)/2020
DOI: 10.18698/2308-6033-2020-4-1976
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов
В трансверсально составных оболочечных конструкциях тонкая металлическая оболочка окружена жесткой средой. Предложенный подход к решению задач на расслоение в таких конструкциях основан на трех положениях: введение в расчетную схему конструкции технологических отклонений, соответствующих допускаемым дефектам в реальных изделиях; определение объемного напряженно-деформированного состояния конструкции; учет при деформировании конструкции режима реального времени. Подход реализован в программном комплексе LS-DYNA в динамической постановке с применением объемных конечных элементов TSHELL и SOLID, с учетом геометрической и физической нелинейности конструкции и поверхности контакта оболочка–среда с односторонней связью по нормали, без касательных взаимодействий. Результатом расчетов по предложенному подходу является оценка нагрузок на исходную двухслойную конструкцию, при которых металлическая оболочка с малой изгибной жесткостью способна терять устойчивость в локальной области в виде внутренних складок.
Приведен пример расчета цилиндрического металлокомпозитного баллона высокого давления при нагружении охлаждаемой наружной композитной оболочкой. Установлены временные интервалы начала расслоения и роста складок на поверхности внутренней металлической оболочки (лейнера). Решения представлены в виде изображений деформированной поверхности лейнера и графиков изменения напряжений, деформаций и перемещений во времени; показано их соответствие друг другу. Предложенный подход позволяет наглядно и точно провести оценку возможности расслоения в контактно-стесненных оболочечных конструкциях уже на этапе проектирования.
Литература
[1] Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. 4-е изд. Москва, Наука, 1973, 400 с.
[2] Glock D. Überkritisches Verhalten eines Starr Ummantelten Kreisrohres bei Wasserdrunck von außen und Temperaturerhöhung [Post-critical behaviour of a rigidly encased circular pipe subject to external water pressure and thermal rise]. Der Stahlbau, 1977, Bd. 46, No. 7, S. 212–217.
[3] Vasilikis D., Karamanos S.A. Mechanics of confined thin-walled cylinders subjected to external pressure. Applied Mechanics Reviews, ASME, 2014, vol. 66, Article Number 010801.
[4] Marzbanrad J., Paykani A., Afkar A., Ghajar M. Finite element analysis of composite high-pressure hydrogen storage vessels. J. Mater. Environ. Sci, 2013, vol. 4 (1), pp. 63–74.
[5] Zheng J.Y., Liu X.X., Xu P., Liu P.F., Zhao Y.Z., Yang J. Development of high pressure gaseous hydrogen storage technologies. Int. J. Hydrog. Energy, 2012, vol. 37 (1), pp. 1048–1057. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.02.125
[6] Liu P.F., Chu J.K., Hou S.J., Xu P., Zheng J.Y. Numerical simulation and optimal design for composite high pressure hydrogen storage vessel: A review. Renew. Sustain. Energy Rev, 2012, no. 16, art. 1817.
[7] Rafiee R., Torabi M.A. Stochastic prediction of burst pressure in composite pressure vessels. Composite Structures, 2018, vol. 185, pp. 573–583. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.11.068
[8] Chou H.Y., Mouritz A.P., Bannister M.K., Bunsell A.R. Acoustic emission analysis of composite pressure vessels under constant and cyclic pressure. COMPOS. PT. A-APPL. SCI. MANUF, 2015, vol. 70, pp. 111–120. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2014.11.027
[9] Blanc-Vannet P. Burst pressure reduction of various thermoset composite pressure vessels after impact on the cylindrical part. Composite Structures, 2017, vol. 160, pp. 706–711. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.10.099
[10] Wu Q.G., Chen X.D., Fan Z.C., Nie D.F. Stress and damage analyses of composite overwrapped pressure vessel. Procedia Engineering, 2015, vol. 130, pp. 32–40. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.12.171
[11] Almeida J.H.S. Jr., Ribeiro M.L., Tita V., Amico S.C. Damage and failure in carbon/epoxy filament wound composite tubes under external pressure: Experimental and numerical approaches. Materials & Design, 2016, vol. 96, pp. 431–438. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.02.054
[12] Almeida J.H.S. Jr., Tonatto M.L.P., Ribeiro M.L., Tita V., Amico S.C. Buckling and post-buckling of filament wound composite tubes under axial compression: Linear, nonlinear, damage and experimental analyses. Composites Part B: Engineering, 2018, vol. 149, pp. 227–239. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.05.004
[13] Raja J., Selvaraju S., Sridhar R. Modelling and analysis of composite pressure vessel. IJAERD, 2018, no. 5, pp. 1483–1487.
[14] Mukund Kavekar, Vinayak H. Khatawate & Gajendra V. Patil weight reduction of pressure vessel using FRP composite material. IJMET, 2013, vol. 4 (4), pp. 300–310.
[15] Bradford M. A., Roufegarinejad A. Elastic local buckling of thin-walled elliptical tubes containing elastic infill material. Interaction and Multiscale Mechanics, 2007, vol. 1 (1), pp. 143–156.
[16] Егоров В.Н., Егоров А.В. Оценка допустимого давления опрессовки металлического лейнера при намотке композитной оболочки. Инженерный журнал: наука и инновации, 2019, вып. 2. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2019-2-1854
[17] Vasiliev V.V. Composite pressure vessels — Analysis, design and manufacturing. Blacksburg, Bull Ridge Publ., 2009.
[18] Васильев В.В., Мороз Н.Г. Композитные баллоны давления. Проектирование, расчет, изготовление и испытания: справ. пособие. Москва, Машиностроение; Инновационное машиностроение, 2015, 373 с.
[19] Егоров А.В., Егоров В.Н. Устойчивость нагретого кольца в жесткой обойме. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, Сер. Машиностроение, 2019, № 3, с. 62–77. https://doi.org/10.18698/0236-3941-2019-3-62-77
[20] Egorov A.V. Studying rigidity of the welded liner — composite shell construction. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2019, 537, 022030. https://doi.org/10.1088/1757-899X/537/2/022030
[21] Егоров А.В., Егоров В.Н. Влияние осевой силы на устойчивость стесненной цилиндрической оболочки. Инженерный журнал: наука и инновации, 2019, вып. 3. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2019-3-1862
[22] Egorov A.V., Egorov V.N. Buckling of the flexible rod under shock loads. In: Zingoni A., ed. Advances in Engineering Materials, Structures and Systems: Innovations, Mechanics and Applications. London, Taylor & Francis Group, 2019, pp. 879–883. ISBN 978-1-138-38696-9
[23] Morozov N.F., Tovstik P.E., Tovstik T.P. Stability of a rod under the long-term axial compression. Probl. Prochn. Plastichn., 2015, vol. 77, no. 1, pp. 40–48. https://doi.org/10.32326/1814-9146-2015-77-1-40-48