авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Разработка методов проектирования композитных материалов и конструкций ракетно-космической техники

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Смердов Андрей Анатольевич

Разработка методов проектирования композитных материалов и конструкций ракетно-космической техники

05.07.02 – Проектирование, конструкция и производство
летательных аппаратов

05.02.01 – Материаловедение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

г. Москва

2007 г.

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»

Официальные оппоненты:

  • член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор В.В. Васильев
  • доктор технических наук, профессор Б.Г. Попов
  • доктор технических наук, профессор С.Н. Сухинин

Ведущая организация – ОАО «Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения»

Защита состоится 11 октября 2007 г.

на заседании диссертационного совета ДС.212.008.02 при ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана» по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Б.С. Сарбаев

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертационной работы определяется распространенностью задач проектирования композитных конструкций в современной ракетно-космической технике. Как во вновь создаваемых, так и в модернизируемых изделиях композиты становятся основными конструкционными материалами. Примерами тому являются несущие конструкции отсеков и обтекателей ракет, а также элементы космических изделий, к которым часто предъявляются уникальные требования. Анализ возможных сочетаний этих требований при оптимальном использовании потенциалов каждого из существующих типов композитов, а также поиск возможностей рационализации постановок задач оптимального проектирования композитных конструкций являются весьма актуальными проблемами современной ракетно-космической техники.

Бесконечному разнообразию вариантов композитных структур соответствует бесконечное разнообразие сочетаний их характеристик. Как правило, наибольший интерес представляют те сочетания свойств, которые соответствуют наилучшим из доступных значений эксплуатационных характеристик композитной конструкции. Задача проектирования обычно сводится к компромиссному выбору между сочетаниями свойств, из которых часть лучше в одних вариантах, а другая часть – в других. В этих условиях чрезвычайно важно представлять себе предельные возможности того или иного композитного материала или выполненной из этого материала конструкции, то есть, возможные оптимальные сочетания характеристик, доступные при варьировании внутренней структуры.

Как правило, при проектировании композитных конструкций требуется управление не одной, а сразу несколькими характеристиками. Это порождает поистине неисчерпаемое многообразие постановок оптимизационных задач. Каждая конкретная задача оптимального проектирования формулируется для конкретной конструкции. Однако у этих задач есть и общие закономерности, знание которых позволяет упростить задачи, сделать их решение наглядным, а в ряде случаев – получить возможность проектирования структур с недостижимым другими путями комплексом характеристик.



Целью работы является разработка методов проектирования композитных материалов и конструкций ракетно-космической техники, включая:

  • рациональное установление уровней требований к свойствам каждой проектируемой конструкции с учетом их связи между собой путем проведения анализа предельных возможностей;
  • разумное сокращение и сужение пространств поиска за счет исключения заведомо неоптимальных структур и структур, содержащих необязательные варьируемые параметры;
  • рациональный подбор математических моделей и расчетных алгоритмов для задач оптимизации, сочетающих быстроту и компактность вычислений с точностью расчета, адекватной точности исходной информации о проектируемом изделии;
  • использование специальных типов структур (например, нечувствительных к разбросам характеристик материала) при проектировании конструкций со специальными свойствами (размеростабильных, повышенного демпфирования и т.п.).

Для осуществления перечисленного необходимо проведение предварительного проектирования композитной конструкции, которое позволит наилучшим образом сформулировать задачу оптимизации конкретной конструкции из данного класса конструкций. Предварительное проектирование предшествует постановке задачи оптимизации конкретной конструкции, поскольку дает возможность уточнить требования, которые могут быть предъявлены к ней.

В работе исследованы возможности предварительного проектирования:

  • композитных материалов, к которым предъявляются требования по жесткости и прочности;
  • размеростабильных композитных конструкций космической техники;
  • композитных стержней, пластин и оболочек с контролируемым демпфированием;
  • несущих цилиндрических оболочек (отсеков и обтекателей ракет);
  • трехслойных элементов конструкций с композитными обшивками, к которым предъявляются требования оптимизации динамических и диссипативных характеристик.

Научная новизна работы определяется следующим:

  1. Предложен новый подход к оптимизации композитных материалов и конструкций ракетно-космической техники, основанный на объективной оценке взаимосвязи потенциально доступных значений их характеристик. Разработаны методы предварительного проектирования, алгоритмы и программы анализа предельных возможностей проектируемых композитных элементов при установлении различных требований к их свойствам. Предложенный подход продемонстрирован на конкретных примерах проектирования ракетно-космических конструкций.
  2. Разработаны новые критерии оценки композитных материалов для многослойных структур по совокупности возможных сочетаний их свойств. Впервые исследованы предельные возможности углепластиков при установлении требований к нескольким характеристикам прочности и жесткости.
  3. Развиты новые приемы проектирования размеростабильных композитных конструкций космической техники. Исследованы диапазоны изменения параметров углепластиковых структур, обеспечивающих термо- и гигростабильность в сочетании с максимальной жесткостью и прочностью. Продемонстрирована возможность управления термическими деформациями космических платформ за счет использования неоднородных композитных структур и рационального выбора позиций размещения аппаратуры. Получены аналитические выражения для определения параметров структур, нечувствительных к разбросам характеристик исходных материалов.
  4. Разработаны новые математические модели, алгоритмы и программы для проектных расчетов композитных элементов конструкций с контролируемым демпфированием. Впервые проведен анализ возможностей создания композитных стержней, пластин и оболочек, а также трехслойных элементов конструкций с оптимальными сочетаниями динамических и диссипативных характеристик.
  5. Исследованы приемы рационализации задач проектирования композитных несущих оболочек ракетно-космической техники. На примерах реальных конструкций показана методология определения областей рационального применения различных конструктивных схем цилиндрических композитных оболочек. Впервые получены и исследованы оптимальные структуры предназначенных для восприятия сжимающих нагрузок оболочек с фиксированным числом слоев.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых методов и подходов, а также сопоставлением с соответствующими экспериментальными данными и известными результатами других авторов.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования ее результатов для проектирования композитных материалов различного назначения, размеростабильных космических конструкций, несущих оболочек отсеков и обтекателей ракет, а также многослойных композитных элементов конструкций с контролируемым демпфированием. Конструкции такого рода проектировались с участием автора в 1985-2006 гг. Результаты работы внедрены в ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, РКК «Энергия», НПО им. С.А. Лавочкина и Обнинском НПП «Технология».

Апробация работы. Основные положения диссертации и полученные результаты докладывались на

  • II Всесоюзной конференции «Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов» (Куйбышев, 1986);
  • Всесоюзной конференции «Проблемы оптимизации и надежности в строительной механике» (Вильнюс, 1988);
  • Научно-технической конференции «Крупногабаритные космические конструкции» (Севастополь, 1990);
  • Второй Московской международной конференции по композитам (Москва, 1994);
  • Первом всемирном конгрессе по структурной и междисциплинарной оптимизации (Гослар, Германия, 1995);
  • 19 Международной конференции SAMPE Europe (Париж, 1998);
  • Международной научно-технической конференции «Слоистые композиционные материалы – 98» (Волгоград, 1998);
  • Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника: фундаментальные проблемы механики и теплообмена» (Москва, 1998);
  • Всероссийской конференции «Прикладные проблемы механики ракетно-космических систем» (Москва, 2000);
  • Международной научно-технической конференции «Слоистые композиционные материалы – 2001» (Волгоград, 2001);
  • II Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (Москва, 2003);
  • I Российском научно-техническом симпозиуме «Интеллектуальные композиционные материалы и конструкции» (Москва, 2004);
  • Международной научно-технической конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения – 2004» (Волгоград, 2004);
  • XVII научно-технической конференции "Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов" (Обнинск, 2004);
  • Международной научной конференции, посвященной 90-летию В.И. Феодосьева «Ракетно-космическая техника. Фундаментальные и прикладные проблемы механики» (Москва, 2006);
  • Заседании семинара Научного Совета РАН по механике конструкций из композиционных материалов (Москва, 2006).

Личный вклад автора. Все научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором. Во всех случаях заимствования других результатов в диссертации приведены ссылки на литературные источники.

Автор выражает искреннюю признательность коллегам по творческому коллективу Лаборатории композитов НИИСМ МГТУ им. Н.Э. Баумана и Института композитных технологий, вместе с которыми выполнялись исследования, лежащие в основе диссертации. Их участие отражено в цитируемых в работе совместных публикациях. Особо следует сказать о том, что этот труд был бы невозможен без многолетнего сотрудничества с П.А. Зиновьевым, чутким наставником и остроумным критиком. Его светлой памяти автор хотел бы посвятить свою работу.

Публикация результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 494 наименований и приложений. Общий объем диссертации с приложениями – 410 с., в том числе 255 с. основного текста и 82 листа с рисунками и таблицами.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, определена степень научной новизны, практической значимости и достоверности полученных результатов.

В первой главе представлено современное состояние проблем оптимального проектирования композитных материалов и конструкций. Глава содержит обзор публикаций, посвященных постановкам и решениям задач оптимального проектирования композитных структур, прежде всего, применительно к конструкциям ракетно-космической техники. Отмечаются работы Н.А. Алфутова, В.П. Багмутова, Н.В. Баничука, Г.И. Брызгалина, В.А. Бунакова, В.В. Васильева, П.А. Зиновьева, В.В. Кобелева, А.Ф. Крегерса, Ю.А. Куликова, Я. Леллепа, В.П. Малкова, А.Б. Миткевича, Е.В. Морозова, В.Л. Нарусберга, Ю.В. Немировского, Ю.С. Ншаняна, И.Ф. Образцова, Б.Г. Попова, Г.Г. Портнова, Ю.М. Почтмана, В.Д. Протасова, А.Ф. Разина, Р.Б. Рикардса, Б.С. Сарбаева, В.И. Семенова, Г.А. Тетерса, Ю.С. Уржумцева, А.П. Янковского, S. Adali, C. Chamis, T.W.Chou, H. Eschenauer, Z. Grdal, R. Haftka, W. Hufenbach, R. Jones, C. Mota Soares, A. Muc, P. Pedersen и др.





Отмечено, что при формулировке и решении задач оптимального проектирования используются два основных подхода: континуальный и дискретный. При оптимизации структурных параметров композитных конструкций применяется, как правило, дискретный подход, при котором переменные проектирования выражаются конечным набором параметров, а критерии качества выступают в виде функций от этих переменных. Решение задач оптимизации в такой постановке осуществляется с помощью методов математического программирования (МП).

Процесс формулировки задачи оптимального проектирования состоит из трех последовательных этапов:

  • определение объекта оптимизации и выбор математических моделей;
  • выбор варьируемых параметров, образующих в пространстве поиска вектор X = {x1, x2, …, xn};
  • установление критериев качества оптимизируемого объекта – локальных критериев эффективности (ЛКЭ)

В зависимости от типа требований, предъявляемых к оптимизируемому объекту, задачи оптимального проектирования подразделяются на два типа. Если среди всех локальных критериев эффективности есть только один экстремальный (требующий поиска наименьшего или наибольшего из всех возможных значений данной характеристики – целевой функции), а все остальные требования сформулированы как ограничения – имеет место задача скалярной оптимизации (задача МП); к этим задачам относятся обычные методы оптимизации. В задачах векторной оптимизации экстремальных критериев больше одного, так что из них формируется вектор Y(X) = {y1(X), y2(X), …, ym(X)}, именуемый обычно вектором эффективности или вектором критериев качества. При этом также может иметь место любое количество ограничений на свойства проектируемой конструкции.

В роли критериев качества в задачах оптимизации композитных материалов и конструкций могут выступать требования к их массе, жесткости, прочности (и шире – несущей способности), динамическим характеристикам и т.д. В обзоре публикаций по теме работы показаны примеры оптимизации различных свойств композитных структур.

В большинстве работ, посвященных проектированию композитных конструкций, проблема оптимального проектирования понимается обычно как задача МП, то есть задача скалярной оптимизации. Даже для случаев, когда исходная постановка задачи включает вектор эффективности (состоящий из различных критериев качества, каждый из которых должен быть минимизирован или максимизирован), на этапе численной реализации моделей оптимизации обычно предусматривается предварительное преобразование модели к скалярному виду, так что вектору эффективности по определенному правилу ставится в соответствие некоторый интегральный показатель качества.

Показано, что постановки задач оптимального проектирования в виде задач МП неизбежно содержат элементы волюнтаризма.

Выбирая варьируемые параметры, проектант тем самым предопределяет тип конструктивной схемы проектируемого изделия и сужает класс возможных оптимальных решений. Описание варьируемых структур может быть проведено множеством различных способов (общее число слоев, изменяемые и не изменяемые толщины и углы и т.п.). Различные постановки оптимизационных задач могут значительно отличаться по числу варьируемых параметров, а, значит – по сложности задачи, возможностям полного ее анализа и наглядности полученных решений. Во многих случаях может быть проведено разумное сокращение числа варьируемых параметров практически без ущерба для качества проектируемой конструкции. Установление диапазонов варьирования параметров фактически определяет объем области допустимых реализаций проекта. Поскольку оптимальные решения, как правило, находятся на границе данной области, неудачный выбор диапазонов варьирования может сузить потенциальные возможности проектируемого объекта. При выборе целевой функции требование к какой-либо одной характеристике проектируемого объекта фактически противопоставляется требованиям к остальным его свойствам; тем самым предопределяется окончательный облик этого объекта. Как правило, данное противопоставление не может быть в должной степени обосновано на этапе формулировки задачи оптимизации. В случае, если в роли целевой функции выступает интегральный критерий качества, составленный по некоторым правилам из нескольких требований к объекту, невозможно избежать волюнтаризма при формулировке указанных правил. Даже в простейших случаях, когда выбор целевой функции очевиден, неминуем произвол при установлении допустимых величин ограничений на свойства проектируемого объекта, поскольку отсутствует информация о возможной связи этих величин с оптимальным значением целевой функции.

Для преодоления волюнтаризма в постановках задач скалярной оптимизации необходимо использовать более широкие подходы. Такие подходы связаны с именем В. Парето (1848-1923) и могут являться альтернативой методам скаляризации векторных задач оптимального проектирования. Целью оптимального проектирования при этом является построение области компромиссов (называемой также областью Парето или переговорным множеством), а выбор конкретного проекта в этой области производится человеком. Область компромиссов – это множество возможных реализаций вектора X, отличающихся тем, что ни одно из принадлежащих этой области решений не может быть улучшено по всем локальным критериям сразу. Основные понятия и определения, возможные условия оптимальности и особенности математического аппарата, связанные с оптимизацией по Парето, излагаются в работах Н.В. Баничука, В.В. Кобелева, А.Ф. Крегерса, В.П. Малкова, В.Д. Ногина, В.В. Подиновского, М.И. Рейтмана, И.М. Соболя, Р.Б. Статникова, Г.А. Тетерса, А.Г. Угодчикова и других авторов. Свидетельствуя об актуальности проблемы, постоянно появляются новые методики оптимизации, основанные на точном или приближенном построении областей компромиссов.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.