Упаковка и развертывание внутренним давлением крупногабаритных оболочечных конструкций
Автор: Пестренин В.М., Пестренина И.В., Русаков С.В., Кондюрин А.В., Корепанова А.В.
Статья в выпуске: 4, 2016 года.
Бесплатный доступ
Рассматриваются упаковки крупногабаритных составных оболочечных конструкций (гофра, цилиндр и усеченный конус) и их развертывание посредством нагружения внутренним давлением. Полагается, что срединные поверхности составных элементов оболочек имеют развертку, с которой эти поверхности совпадают в упакованном состоянии. Составные элементы гофры - кольца, а цилиндра и конуса - трапециевидные пластины. Составные элементы изготовлены из углепластика с ортотропными или трансверсально-изотропными упругими свойствами и скреплены (сшиты) между собой швами, не воспринимающими сопротивление повороту вокруг касательной к линии шва. Рассматриваемые конструкции, в отличие от пневматических изделий из мягких материалов (ткани, пленки), воспринимают изгибающие нагрузки. Геометрически нелинейные задачи механики деформируемого твердого тела по нагружению конструкции внутренним давлением решаются с применением инженерного вычислительного комплекса ANSYS. Изучена зависимость давлений, приводящих оболочку в рабочее состояние от материала конструкции, толщины оболочки, количества составляющих элементов. Показано, что давления развертывания крупногабаритных оболочек соизмеримы с избыточными давлениями пневматических конструкций из мягких материалов. Выявлено, что напряжения в оболочках, развертывающихся в гофру, могут достигать критических значений, а в цилиндре и усеченном конусе напряжения незначительные. Дана постановка и приведено решение задачи о термодинамическом состоянии вдуваемого газа при квазистатическом нагружении оболочки внутренним давлением. Показано, что в начале развертывания газ охлаждается в зависимости от состава на 50-80 оС, затем его температура стремится к температуре вдувания. Полученные результаты расширяют выбор материалов для изготовления пневматических изделий, включая конструкции космического назначения.
Упаковка конструкций, крупногабаритные оболочки, развертка конструкций, композитные материалы, ортотропные свойства, сопротивление изгибу, геометрически нелинейные задачи, избыточное давление, термодинамическое состояние газа, квазистатическое состояние, давление развертывания
Короткий адрес: https://sciup.org/146211648
IDR: 146211648 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.4.18
Packaging and deployment of large shell structures by internal pressure loading
The packaging of large composite shell structures (corrugation, a cylinder and a truncated cone) and their deployment by internal pressure loading are explored. It is believed that the medial surfaces of the constituent elements have involutes which coincide with them in a packed state. The corrugation consists of the ring components, the cylinder and cone consist of trapezoidal plane components. These components are made of carbon fiber with orthotropic or transversely isotropic elastic properties and stapled by joints. The joints do not perceive resistance to rotation about the tangent to the weld line. The contemplated structures perceive bending loads (unlike pneumatic ones) made of soft materials (fabrics, films). Geometrically nonlinear solid mechanics problems with the internal pressure loading are solved by using the engineering computing system ANSYS. The deployment pressure dependence on the shell material structure, shell thickness and amount of constituent elements are investigated. It is shown that the deployment pressure of the large shell is commensurate with the pressure of pneumatic structures of soft materials. It was found that the stresses in the corrugation shells can reach critical values but in the cylinder and the truncated cone the stresses are insignificant. The task formulation and its solution on the thermodynamic state of the injected gas under quasi-static internal pressure loading of the shell are suggested. It is shown that in the beginning of deployment the gas temperature will drop by about 50-80 degrees Celsius according to gas composition, and then its temperature is tending to increase to the injected gas temperature. These results enable to expand the choice of materials for the pneumatic products manufacturing including space applications design.
Список литературы Упаковка и развертывание внутренним давлением крупногабаритных оболочечных конструкций
- Белов Д.В., Югов А.М. Возведение купольных конструкций с использованием пневматических опалубок//Вестн. Донбас. акад. строит. и архит. -2009. -№ 6 (80). -С. 3-8.
- Кривошапко С.Н. Пневматические конструкции и сооружения//Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. -2015. -№ 3. -С. 45-53.
- Соколовская И.Ю. Напряженно-деформированное состояние армированных пневмоопорных оболочек и наземных емкостей: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.23.17/Новосиб. гос. арх.-строит. ун-т. -Новосибирск, 2006. -22 с.
- Прошлое, настоящее и будущее пневматических строительных конструкций//Пневматические строительные конструкции/В.В. Ермолов, У.У. Бэрд, Э. Бубнер . -М.: Стройиздат, 1983. -С. 5-46.
- Quinn G., Gengnagel C. A review of elastic grid shells, their erection methods and the potential use of pneumatic formwork//Mob Rapidly Assem Struct IV. -2014. -Vol. 136. -P. 129-143 DOI: 10.2495/MAR140111
- Бельков А.В. Моделирование крупногабаритных пневматических конструкций//Перспективы развития фундаментальных наук: сб. науч. тр. XIII Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых/Нац. исслед. Том. политехн. ун-т. -2016. -Т. 3. -С. 21-23.
- Рефлекторы антенн космических аппаратов на базе гибкой формообразующей структуры//Актуальные проблемы авиации и космонавтики/И.С. Морозков, С.В. Ромащенко, Е.А. Шевцов, А.К. Шатров. -2010. -Т. 1, № 6. -С. 100-101.
- Леонов В.В., Жаренов И.С. Анализ особенностей конструкции крупногабаритных надувных концентраторов солнечного излучения//Наука и образование: науч. изд. МГТУ им. НЭ Баумана. -2013. -№ 10. -С. 177-192 DOI: 10.7463/1013.0618788
- Леонов В.В., Жарёнов И.С. Особенности проектирования крупногабаритных космических зеркальных концентраторов солнечного излучения//Сб. тр. Шестой Рос. нац. конф. по теплообмену. -2014. -С. 1233-1236.
- Creation of biological module for self-regulating ecological system by the way of polymerization of composite materials in free space/A. Kondyurin, B. Lauke, I. Kondyurina, E. Orba//Advances in Space Research. -2004. -No. 34. -P. 1585-1591.
- Polymerisation of composite materials in space environment for development of a Moon base/I. Kondyurina, A. Kondyurin, B. Lauke, Ł. Figiel, R. Vogel, U. Reuter//Advances in Space Research. -2006. -Vol. 37. -P. 109-115.
- Хауг Э. Проектирование и расчет пневматических конструкций с использованием метода конечных элементов//Пневматические строительные конструкции/В.В. Ермолов, У.У. Бэрд, Э. Бубнер . -М.: Стройиздат, 1983. -С. 333-360.
- Проектирование и расчет пневматических сооружений//Пневматические строительные конструкции/К. Ишии, В.В. Ермолов, У.У. Бэрд, Э. Бубнер . -М.: Стройиздат, 1983. -С. 273-298.
- Чесноков А.В. Влияние изменения температуры на работу фрагментов пневматических оболочек //Интернет-вестник ВолгАСУ. Сер.: Строит. информатика. -2013. -Вып. 9 (26). -11 c. (http://vestnik.vgasu.ru/?source=4&coverno=93) (дата обращения: 28.10.2016).
- Бельков А.В., Пономарев С.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния надувной конструкции космического рефлектора//Вестн. Том. гос. ун-та. Математика и механика. -2008. -№ 1 (12). -С. 83-89.
- Ким А.Ю. Итерационный метод приращений параметров для расчета нелинейных мембранно-пневматических систем с учетом упругой работы воздуха: дис. … д-ра техн. наук: 05.23.17. -Саратов, 2005. -568 с.
- Onate E., Kroplin B. Textile composites and inflatable structures II. Computational Methods in Applied Sciences. -Berlin: Springer, 2008. -272 p.
- Усюкин В.И. Техническая теория мягких оболочек и ее применение для расчета пневматических конструкций//В.В. Ермолов, У.У. Бэрд, Э. Бубнер /Пневматические строительные конструкции/под ред. В.В. Ермолова. -М.: Стройиздат, 1983. -С. 299-332.
- Развертывание крупногабаритных оболочечных конструкций внутренним давлением/В.М. Пестренин, И.В. Пестренина, С.В. Русаков, А.В. Кондюрин//Механика композитных материалов. -Рига. -2015. -Т. 51, № 5. -С. 889-898.
- Паймушин В.Н. Об уравнениях геометрически нелинейной теории упругости и безмоментных оболочек при произвольных перемещениях//Прикладная математика и механика. -2008. -Т. 72, № 5. -С. 822-841.
- Deployment of large-size shell constructions by internal pressure/V.M. Pestrenin, I.V. Pestrenina, S.V. Rusakov, A.V. Kondyurin//Mechanics of Composite Materials. -2015. -Vol. 51, Nо. 5. -P. 629-636.
- Хорошун Л.П., Маслов В.П. Методы автоматизированного расчета физико-механических постоянных композиционных материалов. -Киев: Наукова думка, 1980. -156 с.
- Пестренин В.М., Пестренина И.В. Механика композитных материалов и элементов конструкций/Перм. ун-т. -Пермь, 2005. -364 с.
- Беляев В.М., Миронов В.М. Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли. Ч. 1: Том. политех. ун-т. -Томск, 2003. -168 с.
- Клочков Ю.В., Николаев А.П., Шубович А.А. Анализ геометрически нелинейной оболочки вращения на основе МКЭ с вариативным формированием матрицы упругости на шаге нагружения//Строительная механика и расчет сооружений. -2011. -№ 3. -С. 40-44.
- Кузнецов В.Н., Кузнецова Т.А., Чумакова С.В. О численной реализации метода последовательных нагружений при расчете геометрически нелинейных оболочек//Исследования по алгебре, теории чисел, функциональному анализу и смежным вопросам. -2010. -№ 6. -С. 27-43.
- Куликов Г.М., Плотникова С.В. Расчет композитных конструкций под действием следящих нагрузок с использованием геометрически точного элемента оболочки//Механика композитных материалов. -2009. -Т. 45, № 6. -С. 789-804.
- Применение системы ANSYS к решению задач механики сплошной среды: практ. руководство. -Н. Новгород: Изд-во Нижегород. ун-та, 2006. -115 с.
- Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. -М.: Наука, 1973. -536 с.
- Бородачев С.М., Никишкин С.И., Халатов Е.М. Основы термодинамики реальных газов: учеб. пособие/Ковр. гос. технол. акад. -Ковров, 2004.
