Лабораторная установка для испытания моделей корпусов жидкостных ракет

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.

2. Порядок проведения эксперимента

1. Для проведения эксперимента используется тонкостенная

гладкая цилиндрическая оболочка из алюминиевого сплава

диаметром 66·10-3 м, длиной 115·10-3 м, толщиной 0,15·10-3

м.

2. Установить на оболочке герметичные фланцы, позволяющие

надежно закрепить торцы оболочки, а также осуществлять

наддув и осевое сжатие оболочки.

3. Заполнить внутреннюю полость оболочки и гидравлическую

систему установки водой.

4. Осуществить нагружение оболочки внутренним давлением с

помощью ручного насоса при отсутствии осевого сжатия до

разрушения оболочки.

5. Определить по контрольному манометру величину критического

значения давления при котором оболочка разрушилась.

6. Установить новый образец оболочки с фланцами, не

заполненный водой и осуществить шарнирное соединение штока

гидравлического пресса с торцевой опорой верхнего фланца

оболочки.

7. Довести оболочку до разрушения (до потери устойчивости)

путем осевого сжатия с помощью гидравлического пресса при

отсутствии внутреннего давления в оболочке.

8. Определить критическое значение сжимающего усилия

гидравлического пресса при котором оболочка потеряла

устойчивость, по манометру, тарировка которого проведена в

единицах силы осевого сжатия.

9. Установить новый образец оболочки, подготовленный

одновременно к нагружению осевой сжимающей силой и

внутренним давлением, выполнив указанные выше операции.

3.2.10 Нагрузить оболочку внутренним давлением до значения, указанного

руководителем занятия.

3.2.11 Нагрузить оболочку осевой сжимающей силой до разрушения.

12. Определить критическое значение сжимающего усилия

гидравлического пресса при котором оболочка потеряла

устойчивость.

13. Повторить комплексное нагружение оболочек в

соответствии с пунктами 3.2.9-3.2.12 данной методики

для фиксированных значений внутреннего давления Рi

(от 0 до Рразр) с шагом ?Р = 0,2 Рразр и определить в

каждом опыте значение предельной осевой сжимающей

силы Nразр (Рi).

14. Занести полученные опытные значения предельных

соотношений нагрузок в протокол испытаний и

установить экспериментальную зависимость между этими

величинами. топливного отсека.

4. Лабораторная установка для исследования несущей способности

моделей корпусов ракет с ЖРД

1. Назначение и состав установки

4.1.1 Разработанная установка предназначена для нагружения

тонкостенных цилиндрических оболочек моделей корпусов жидкостных ракет

внутренним избыточным давлением и осевыми сжимающими и растягивающими

силами.

2. В состав установки (рисунок 4.1) входят следующие основные

элементы: универсальная рама 1 для закрепления моделей корпусов

РСН 2, гидравлический пресс 3, опора для герметизации оболочки 4.

[pic]

Рисунок 4.1 – Установка для исследования несущей способности моделей

корпусов ракет с ЖРД

4.1.3 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.

4.1.4 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.

4.1.5 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».

4.2 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

[pic], 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

[pic] (4.1)

Разрушающая осевая сила при нагружении оболочки давлением только в

окружном направлении (рисунок 4.2 а)

[pic] (4.2)

Значения коэффициентов [pic], полученные в результате многочисленных

экспериментальных исследований, представлены на графиках (рисунок 4.3), где

[pic] - безразмерный параметр давления, а

[pic] - величина нормального давления.

Как видно из графиков, с увеличением [pic] коэффициент [pic] вначале

увеличивается. Кривая А может быть представлена выражениями:

[pic] (4.3)

При [pic]

Здесь [pic]

Начиная с давления[pic][pic]наблюдается снижение коэффициента[pic],

которое представлено семейством кривых в зависимости от отношения [pic].

Чем больше [pic], тем при больших давления [pic] наступает начало

снижения [pic].

[pic] [pic]

Рисунок 4.2(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

[pic] (4.4)

[pic]

Рисунок 4.3 – Результаты исследования

Заключение

В ходе выполнения дипломного проекта была разработана

экспериментальная лабораторная установка для исследования несущей

способности гладких тонкостенных цилиндрических моделей топливных отсеков

корпусов ракет с ЖРД при нагружении внутренним и внешним избыточным

давлением, осевой сжимающей и растягивающей силой, внешними термосиловыми

нагрузками.

Установка позволяет моделировать воздействия полетных нагрузок и

поражающих факторов оружия на корпуса РСН:

- внутреннее избыточное давление;

- осевое сжатие и растяжение;

- вибрационные нагрузки;

- воздействие воздушной ударной волны;

- воздействие кинетических ударников;

- воздействие тепловых источников,

а также определять параметры напряженно- деформированного состояния моделей

корпусов РСН и действующих на них нагрузок:

- деформации;

- перемещения;

- внутреннего давление в оболочках;

- внешнего давление во фронте воздушной волны;

- частоты вынужденных колебаний моделей корпусов РСН;

- температуры нагрева поверхности оболочек.

В процессе работы были разработаны методики теоретического и

экспериментального определения несущей способности гладких модельных

оболочек при действии внутреннего избыточного давления и осевого сжатия.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили теоретические

расчеты параметров, при которых оболочка теряет устойчивость. При

нагружении только осевой нагрузкой потеря устойчивости сопровождается

образованием глубоких, обращенных к центру кривизны, ромбовидных вмятин.

При нагружении оболочки малым внутренним избыточным давлением образуются

вмятины, вытянутые в окружном направлении. По мере увеличения внутреннего

давления длина вмятин увеличивается. При значительном внутреннем давлении

образуются сплошные кольцевые складки на цилиндрической поверхности

оболочки, что соответствует осесимметричной форме потери устойчивости.

Вышеописанные исследования проводились с целью дальнейшего

прогнозирования поведения реальных образцов корпусов ракет при воздействии

полетных нагрузок и нагрузок, возникающих при воздействии поражающих

факторов оружия противника.

Основные результаты данного дипломного проекта внедрены в учебном

процессе на кафедре конструкции ракет при проведении лабораторной работы

«Определение несущей способности модели топливного бака РСН», защищены

шестнадцатью рацпредложениями, технико-экономический эффект которых основан

на использовании в качестве моделей корпусов ракет гладкостенных

цилиндрических оболочек промышленного производства, которые являются весьма

дешевыми и легкодоступными. Тем самым проведение модельных экспериментов во

много раз экономически выгоднее, чем натурный.

Установка признана лучшим экспонатом на выставке технического

творчества 50-й юбилейной конференции рационализаторов и изобретателей РВИ

РВ в 2003 году. При проведении смотра-конкурса технического творчества

среди кафедр института в 2004 году установка также признана лучшей и

удостоена 1-го места.

Литература

1. Бородин Л.С., Семененко Н.П. и др. Инженерная графика. Учебное

пособие. Часть 1. РВВКИУ РВ, 1998 – 201 с.

2. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов

измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991 – 303 с.

3. Моссаковский В.И., Макаренков А.Г. Прочность ракетных конструкций.

Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 1990. – 356 с.

4. Велихов Е.П. и др. Космическое оружие: дилемма безопасности. М.:

Мир, 1986 – 182 с.

5. Осяев О.Г. Строительная механика конструкций и сооружений. Частная

методика. РВИ РВ, 2003 – 330 с.

6. Осяев О.Г. Несущая способность композитных модельных конструкций

при комбинированном нагружении. В кн. «Численные и аналитические методы

решения задач строительной механики и теории упругости» РГА, 1995.

-----------------------

у = f (x)

[pic]

УАК

БОВ

Морского

базирования

“Ассолт-

Брейкер”

УАБ

УР

"ПЛСС"

Воздушного

базирования

КР

ВТО ТА (ПА)

РУК

[pic]

ВТО

Страницы: 1, 2