Исследование анизогридных цилиндрических оболочек на прочность, устойчивость и жесткость при кручении
Автор: Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Новые материалы и технологии в космической технике
Статья в выпуске: 1, 2025 года.
Бесплатный доступ
В статье рассматриваются анизогридные сетчатые оболочечные конструкции из композиционных материалов. Цель работы – исследовать анизогридные оболочки на прочность, устойчивость и жесткость при кручении. На основе разработанной параметрической конечно-элементной модели исходной конструкции проводился многофакторный вычислительный эксперимент. Построение моделей проводилось в программном комплексе ANSYS. Рассматривались два подхода к моделированию: построение оболочки последовательным заданием семейств ребер и выделение структурного элемента оболочки с последующим копированием его по окружности. Выбран наименее трудоемкий и ресурсоемкий подход для персонального компьютера. Анализ напряженного состояния исходной сетчатой конструкции при кручении показал: спиральные ребра с наклоном влево сжимаются, с наклоном вправо растягиваются, кольцевые ребра работают на растяжение и сжатие. По результатам вычислительного эксперимента были определены зависимости максимальных продольных напряжений в ребрах от изменения угла наклона спирального ребра к образующей, количество пар спиральных ребер и толщина реберной конструкции. Исследовались прочность, устойчивость и жесткость конструкций при кручении с учетом изменения параметров реберной структуры. По итогу исследования выбирались две самые жесткие, прочные и устойчивые конструкции, в которых исключались по два вертикальных структурных элемента. Таким образом, на прочность, устойчивость и жесткость исследовался новый тип анизогридной цилиндрической конструкции, содержащий вертикальные разрезы.
Анизогридные конструкции, прочность, устойчивость и жесткость, ANSYS, многофакторный вычислительный эксперимент.
Короткий адрес: https://sciup.org/14133050
IDR: 14133050 | УДК: 539.3 | DOI: 10.26732/j.st.2025.1.03
Investigation of anisogrid cylindrical shells for strength, stability and torsional rigidity
The article discusses anisogrid mesh shell structures made of composite materials. The purpose of the work is to investigate anisogrid shells for strength, stability and torsional stiffness. Based on the developed parametric finite element model of the initial design, a multifactorial computational experiment was conducted. The models were built in the ANSYS software package. Two approaches to modeling were considered: the construction of a shell by sequentially specifying families of edges and the allocation of a structural element of the shell with subsequent copying along the circumference. The least time-consuming and resource-intensive approach for a personal computer has been chosen. The analysis of the stress state of the initial mesh structure during torsion showed: spiral ribs with a slope to the left are compressed, with a slope to the right they stretch, annular ribs work for tension and compression. According to the results of the computational experiment, the dependences of the maximum longitudinal stresses in the ribs on the change in the angle of inclination of the spiral rib to the generatrix, the number of pairs of spiral ribs and the thickness of the rib structure were determined. The strength, stability and rigidity of structures under torsion were studied, taking into account changes in the parameters of the rib structure. As a result of the study, two of the most rigid, durable and stable structures were selected, in which two vertical structural elements were excluded. Thus, a new type of anisogrid cylindrical structure containing vertical sections was studied for strength, stability and rigidity
Список литературы Исследование анизогридных цилиндрических оболочек на прочность, устойчивость и жесткость при кручении
- Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. 272 с.
- Васильев В. В., Разин А. Ф., Азаров А. В. Композитные сетчатые конструкции – проектирование, расчет и изготовление. М: Инновационное машиностроение, 2023. 488 с.: ил. ISBN 978–5–907523–57–9.
- Жгутов В. М. Компьютерное моделирование прочности и устойчивости упругих ребристых оболочек // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения: Международная конференция (RELMAS’2008): Труды международной конференции. Санкт-Петербург, 17–20 июля 2008 года, СПбГПУ. СПб., 2008. С. 122–128.
- Васильев В. В., Разин А. Ф. Композитные сетчатые балочные элементы для авиационных конструкций // Вопросы оборонной техники. Сер. 15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. 2006.
- Карпов Владимир Васильевич, Семенов Алексей Александрович, Холод Дарина Вячеславовна. Исследование прочности пологих ортотропных оболочек из углепластика // Труды МАИ. 2014. № 76. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-
- Ковальчук Л. М. О подходах к построению параметрической дискретной модели сетчатой цилиндрической оболочки в конечно-элементном пакете ANSYS / Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева. Текст: электронный // Краевые задачи и математическое моделирование: темат. сб. науч. ст. Новокузнецк: Изд-во КГПИ КемГУ, 2023. С. 52–57. 8 CD-ROMs.
- Петров Г. И., Смирнов А. Н., Халилов С. И. Численное исследование анизогридных конструкций методом конечных элементов // Вестник Московского авиационного института. 2016. № 12(2). С. 128–137.
- Белов В. В., Горбунов А. А., Красильников Н. И. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния анизогридных конструкций // Вестник Московского авиационного института. 2018. № 25(2). С. 103–111.
- Ковальчук Л. М. Исследование напряженного состояния и оценка устойчивости анизосеточной цилиндрической оболочки при изменении параметров реберной конструкции при статическом нагружении / Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева. DOI 10.1134/S 1063784223700081 // Техническая физика. 2023. № 68(10). С. 328–335.
- Лопатин А. В., Барыльникова Е. А. Конечно-элементное моделирование сетчатых цилиндрических оболочек // Решетневские чтения: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2010. С. 22.
- Логинов М. А., Бендиков А. С., Коваленко И. А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния анизогридных конструкций в условиях динамических нагрузок // Вестник Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана. Серия: Машиностроение, 2017. № 2. С. 112–123.
- Белов В. В., Горбунов А. А., Красильников Н. И. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния анизогридных конструкций // Вестник Московского авиационного института. 2018. № 25(2). С. 103–111.
- Ковальчук Л. М. Влияние реберной структуры на устойчивость сетчатой цилиндрической оболочки при кручении / Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева. // Интеллектуальный потенциал Сибири: сб. науч. тр. 30 регион. науч. студен. конф, Новосибирск, 23–27 мая 2022 г. в 4 ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2022. Ч. 4. С. 396–400. ISBN 978–5–7782–4756–7.
- Петров Г. И., Смирнов А. Н., Халилов С. И. Численное исследование анизогридных конструкций методом конечных элементов // Вестник Московского авиационного института. 2016. № 12(2). С. 128–137.
- Логинов М. А., Бендиков А. С., Коваленко И. А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния анизогридных конструкций в условиях динамических нагрузок // Вестник Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана. Серия: Машиностроение, 2017. № 2. С. 112–123.
- Лопатин А. В., Буров А. А., Хахленкова А. А. Анализ деформирования цилиндрического решетчатого корпуса космического аппарата в зоне крепления бака высокого давления // Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия. Красноярск: Физический институт и издательство IOP Publishing Limited, 2021. С. 1–5.
- Ковальчук Л. М. Исследование напряженного состояния сетчатой композитной оболочки без обшивки при кручении / Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева // Проблемы прочности авиационных конструкций и материалов: материалы Всерос. науч.-практ. конф., Новосибирск, 7–10 сент. 2022 г. Новосибирск: СибНИА им. С. А. Чаплыгина, 2022. С. 37–39. ISBN 978–5–6043216–4–5.
- Ковальчук Л. М. Анализ деформирования ребер сетчатых цилиндрических оболочек при кручении = Analysis of deformation of the edges of mesh cylindrical shells during torsion / Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева // Наука. Промышленность. Оборона: тр. 23 Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию основания конструкторского бюро «Туполев», Новосибирск, 20–22 апр. 2022 г. в 4 т. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2022. Т. 1. С. 43–47. 25 экз. ISBN 978–5–7782–4693–5.
- Ковальчук Л. М. Исследование напряженного состояния и оценка устойчивости анизогридной цилиндрической оболочки при изменении параметров реберной структуры при кручении = Investigation of the stress state and assessment of the stability of an anisogrid cylindrical shell when the parameters of the rib structure change during torsion / Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева, С. В. Шайдуров. // Решетневские чтения: материалы 26 междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти ген. конструктора ракетно-косм. систем М. Ф. Решетнева, Красноярск, 9–12 нояб. 2022 г. в 2 ч. Красноярск: Изд-во СибГУ, 2022. Ч. 1. С. 104–106. ISBN 978–5–86433–924–4. 1 CD-ROM.
- Ковальчук Л. М. Конечно-элементный расчёт на прочность и устойчивость анизогридной оболочки при кручении / Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева; науч. рук. Т. В. Бурнышева // Наука. Технологии. Инновации: сб. науч. тр. 16 Всерос. науч. конф. молодых ученых, Новосибирск, 5–8 дек. 2022 г. в 11 ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2022. Ч. 11. С. 30–34. 100 экз. ISBN 978–5–7782–4872–4
