Инженерный журнал: наука и инновацииЭЛЕКТРОННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ
свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-53688 от 17 апреля 2013 г. ISSN 2308-6033. DOI 10.18698/2308-6033
  • Русский
  • Английский
Статья

Программно-ориентированный подход к анализу перемещений в контактно-стесненных оболочечных конструкциях

Опубликовано: 20.04.2020

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