Читайте также:
|
В настоящее время общепризнано, что КМ получат максимальное распространение в будущем не столько потому, что они легкие и прочные, а в большей степени из-за возможности управления их свойствами в нужных направлениях в зависимости от характера и величины действующих нагрузок - механических, тепловых и др.
Как указывает В.В. Васильев в книге [1], «идея соединения двух или более компонентов в целях получения материала, обладающего свойствами, не присущими отдельно взятым компонентам, издавна используется человеком. Принцип специализации свойств отчетливо прослеживается во всех природных материалах, появившихся в процессе длительной эволюции...».
Проектирование, конструирование, производство и эксплуатация изделий из КМ по некоторым аспектам принципиально отличаются от аналогичных процессов для конструкций из традиционных материалов.
Поэтому имеет смысл напомнить общие критерии и правила проектирования, чтобы затем подчеркнуть основные отличительные черты, возникающие при использовании композитов, вместо «обычных» конструкционных материалов.
Решение задач проектирования всегда предполагает наличие некоторой цели, формализованной в виде математической функции или формулируемой каким-либо другим образом.
Искомые конструктивные параметры должны быть такими, с одной стороны, чтобы цель была достигнута или было обеспечено максимальное приближение к ней, а с другой удовлетворяли предъявляемым эксплуатационным и другим требованиям. Математическим языком задач проектирования является поиск экстремума некоторой функции или некоторого функционала при заданной системе ограничений на искомые параметры.
Например, проектирование стержня заключается в поиске таких значений радиуса, толщины стенки и свойств материала, которые обеспечивали бы минимум массы при соблюдении условий прочности и устойчивости и ограничений диаметра стержня сверху и снизу. Цель проектирования часто называют критерием проектирования, а минимизируемую (максимизируемую) функцию - целевой функцией.
С учетов того, что проектирование технического изделия представляет собой многоэтапный иерархический процесс, цели проектирования бывают общие и частные.
Общими критериями выступают, как правило, социально значимые цели (минимальная стоимость осуществления полного жизненного цикла изделия - от разработки и до утилизации, минимальные энергозатраты, заданный (регламентируемый) уровень надежности и долговечности и др.).
Частными критериями служат цели, достижение которх на каждом этапе обеспечивают их долевой вклад в общее дело (минимум массы конструкции агрегата, равнопрочность составляющих элементов, допустимый (регламентируемый) уровень повреждаемости и т.п.). Такой подход к решению задач проектирования вполне оправдан, так как оперирование обшей целевой функцией при разработке отдельного узла изделия практически невозможно.
В авиастроении путем обработки многолетней статистики получены зависимости для оценки стоимости эксплуатации 1 кг массы конструкции самолета и это позволяет разработчикам фюзеляжа, крыла, оперения и т.п. пользоваться критерием минимума массы (естественно, с учетом взаимосвязи параметров агрегатов самолета).
Многолетний инженерный опыт позволил синтезировать и обосновать ряд правил проектирования и конструирования, среди которых можно отметить следующие:
1. Воспринимаемые (передаваемые) распределния нагрузок должны подвергаться минимально возможному деформированию (искажению) при передаче из одной области в другую. Из сказанного следует, что силы необходимо передавать по кратчайшему пути, если это возможно.
2. Переменные в пространстве внешние силы вызывают разницу (градиенты) внутренних усилий и появление дополнительных видов напряжений. Например, разница нормальных усилий в противоположных полках балки неизбежно приводит к возникновению касательных напряжений в стенке. А для преобразования подъемной силы крыла в растягивающе-сжимающие усилия в верхней и нижней панелях, т.е. для поворота подъемной силы на 90°, необходимы элементы конструкции, работающие на сдвиг (стенки).
3. Статически определимая система, как правило, легче статически неопределимой при прочих равных условиях. Заметим, кстати, что балка вообще-то, является статически неопределимой конструкцией (до момента принятия упрощения о одноплоскостном распределении деформаций в поперечном сечении, играющего роль закона совместности деформаций). Вместе с тем разрушение какого-либо элемента в статически неопределимой конструкции не приводит к утрате конструкцией своих функций – несущей способности, так как происходит перераспределение внутренних силовых факторов между оставшимися целыми элементами.
4. Всегда необходимо стремиться к максимально возможной определенности нагружения элементов конструкции, т.е. не нужно принуждать элемент воспринимать не свойственные ему силы. Например, поперечная сила, линия действия которой не проходит через центр изгиба балки, приводит к ее кручению, а балки с открытым контуром:слабо ему сопротивляются.
5. Математические уравнения, описывающие восприятие деталями внешних сил получены на основе расчетных схем (балки, пластины, оболочки и т д.). Инженер должен стремиться к тому, чтобы конструктивная реализация детали максимально соответствовала расчетной схеме, которая применялась для определения ее параметров. Или, наоборот, всегда надо использовать модели, адекватно описывающие реальную конструкцию. Например, расчет шпангоута на прочность по обычной теории балки будет далек от действительности – надо применять теорию криволинейного стержня.
6. Любая конструкция под действием внешних нагрузок (механических, температурных и т.п.) деформируется. В связи с этим инженеру необходимо предпринять все возможное для предотвращения появления дополнительного или непредсказуемого напряженного состояния в результате деформирования. Ярким примером такого подхода является шарнирное крепление лопастей несущего винта вертолета (рис. 2.1). Только представление лопасти в деформированном состоянии позволяет понять способ передачи подъемной силы на вал. Другой пример – возникновение поперечных напряжений в пластине, нагруженной чистым растяжением, из-за стеснения пуассоновых деформаций, что особенно важно для конструкций из КМ, которые могут иметь аномальные значения коэффициентов Пуассона.
|
| Рисунок 2.1 – Схема крепления лопасти винта |
7. Изготовленные элементы конструкции всегда имеют неточность изготовления, регламентируемую стандартами и техническими условиями (допусками и посадками). Это может привести к некоторой неопределенности при выборе схемы нагружения. Рассмотрим типовой узел стыковки лонжерона крыла, передающего подъемную силу на фюзеляж. Несмотря на наличие двух стыковых болтов (верхнего и нижнего), поперечная сила из- за погрешностей изготовления болтов и отверстий никогда не будет распределяться по узлам полностью равномерно. Даже при плотной или прессовой посадке болтов в отверстия характер (пропорция) распределения силы Q по узлам остается до екоторой степени неопределенным.
- обеспечение соответствия расчетной схемы реальному технологическому процессу изготовления конструкции. Лонжероны крыла, например, обычно изготавливают путем соединения поясов и стенки заклепками. Очевидно, что при переменном изгибающем моменте по длине лонжерона напряжения в полках на участке между двумя соседними заклепками являются постоянными и возникает вопрос о корректности применения известных зависимостей теории изгиба балок, в которой априори принято, что полки и стенка соединены непрерывно. В данном случае на рассматриваемом участке элементы балки работают на изгиб раздельно (несовместно!) при довольно специфических опорах. Понятно, что действующие в них напряжения будут несколько больше, чем найденные по расчетной схеме балки.
Рассмотренные правила, на первый взгляд, вроде бы не касаются непосредственно проектирования и прочности. Но решение любой задачи определения рациональных параметров конструкции основывается, во-первых, на расчетных схемах или моделях, которые являются некоторой идеализацией peaльной конструкции, и инженеру полезно знать, каким инструментом он пользуется, и уметь прогнозировать последствия. Во-вторых, после этапа тестирования (на базе более простых расчетах схем) обязательно следует стадия поверочного расчета, когда максимально следует учесть конструктиные, технологические и эксплуатационные особенности, а также внимательно проанализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) взонах нерегулярности полей напряжении.
Вся лекция по «Проектированию деталей и агркгатов из КМ» Я. С. Карпова
Литература
1. Васильев В.В. Механика конструкций из КМ. М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.
Дата добавления: 2015-04-20; просмотров: 40 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |