Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Совместные проекты / ЛЭСМИ
Начало сайта / Совместные проекты / ЛЭСМИ

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Архимед

Грюндеры и грюндерство

Обычное в необычном (Энциклопедия чудес. Книга первая)

Плеяда великих медиков

Среди запахов и звуков

Яды – вчера и сегодня

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Математическое моделирование прочности болтовых соединений композиционных материалов типа углепластиков

С.Г. Радченко, С.Н. Лапач, А.З. Двейрин, Е.Т. Василевский
Национальный технический университет Украины «КПИ»,
Государственное предприятие «Антонов»

Полная версия статьи: PDF; DOC

УДК 620.168.

Исследовано влияние конструкторских и технологических факторов на прочность при растяжении болтовых соединений композиционных материалов типа углепластиков. Коррелированные факторы преобразованы и представлены как ортогональные. Полученная по результатам спланированного многофакторного эксперимента математическая модель удельной прочности позволила проанализировать влияние факторов на прочность композита и оптимизировать болтовое соединение. Приведены доли шести видов разрушения композиционного материала в зависимости от наиболее сильно влияющих факторов: количества болтов, их шагов и угла направления волокон.

Ключевые слова: болтовые соединения, композиционные материалы, планирование эксперимента, оптимизация соединения.

Математичне моделювання міцності болтових з’єднань композиційних матеріалів типу вуглепластиків

Виконано дослідження впливу конструкторських і технологічних факторів на міцність при розтягненні болтових з’єднань композиційних матеріалів типу вуглепластиків. Виконане перетворення для представлення корельованих факторів як ортогональних. Побудована за результатами спланованого багатофакторного експерименту математична модель питомої міцності дозволила провести аналіз впливу факторів на міцність композиту і оптимізувати болтове з’єднання. Приведені частки шести видів руйнування композиційного матеріалу в залежності від найбільш сильно діючих факторів: кількості болтів, їх кроків і кута направлення волокон.

Ключові слова: болтове з’єднання, композиційні матеріали, планування експерименту, оптимізація з’єднання.

Mathematical modeling strength of bolt joints of composite materials like carbon fiber-reinforced plastics

The research was dedicated to the influence of engineering and technology factors over longitudinal strength of bolt joints of composite materials like carbon fiber-reinforced plastics. Correlated factors were reconstituted and presented as orthogonal. The mathematical model of strength-density ratio, based on designed multi-factor experiment, made it possible to analyze the influence of factors over composite strength and optimize the bolt joints. The proportions of six types of composite material destruction are given, depending on the most influential factors: the number of joints, their spacing and thread direction angle

Keywords: bolt joints, composite materials, design of experiment, optimization of joint.

1. Постановка проблемы

Композиционные материалы используются в конструкциях летательных аппаратов. Теоретические расчеты конструкторских и технологических факторов, влияющих на прочность болтовых соединений композиционных материалов, для инженерного использования затруднены и, в некоторых случаях, неизвестны. Предложено использовать экспериментально-статистический подход и теорию планирования многофакторного эксперимента для получения математических моделей влияния конструкторских и технологических факторов на прочность болтовых соединений.

2. Анализ достижений и публикаций

В конструкциях летательных аппаратов широко применяются два основных вида соединений композиционных элементов между собой и с другими материалами: клеевые и болтовые. К преимуществам болтовых соединений относится технологичность, дешевизна, невысокая чувствительность к температурным и атмосферным воздействиям, большая надежность при длительной эксплуатации и возможность неразрушающей разборки. К существенным недостаткам следует отнести сложное прочностное поведение. Существующие методики и программы расчетов прочностных характеристик пока не обеспечивают надежных результатов расчетов: программы и методики могут существенно различаться для разных целей проектирования. В связи с этим необходимо их дополнение экспериментальными исследованиями.

В [1] показано, что в силу ряда специфических особенностей композитов их соединение механическим крепежом вызывает некоторые трудности, связанные с технологией сборки конструкций и отсутствием системы экспериментального обеспечения расчета на прочность и проектирования механических соединений. Сделан вывод, что инженерная методика проектирования механических соединений может успешно применяться, когда экспериментальные характеристики упругости и прочности определяются при максимально возможном соответствии с методикой расчета. Такой вывод указывает на идиографический подход, т. е. описание конкретных явлений в детальных условиях, к формализованному получению расчета на прочность механических соединений деталей из композитов.

В [2] приведена методика расчетов соединений, содержащих элементы из полимерного композиционного материала. Расчеты максимально приближены к реальной ситуации. Для моделирования использовался программный комплекс FEMAP/NX NASTRAN. В моделировании использовалась трехмерная геометрическая и конечно-элементная модель. Расчеты проводились для напряженно-деформированного состояния элементов соединения.

В [3] изложена проблема прочности болтовых соединений в перспективных конструкционных материалах – слоистых композиционных пластиках или ламинатах. На основе данных опубликованных трудов анализируются экспериментально установленные эффекты и обсуждаются основные факторы, которые влияют на прочность таких соединений и представляют интерес для теоретического исследования. Сделан вывод о достаточно сложной картине прочности болтовых соединений в ламинатах. Обращено внимание на трудности использования чисто экспериментального подхода к определению прочности болтовых соединений в слоистых композитах ввиду огромного количества вариантов материала, геометрии и нагружения. Указано на большое значение создания эффективных аналитических и численных моделей болтовых соединений. Конкретные решения не приведены.

3. Постановка задачи

Анализ доступных публикаций показал, что применение расчетных методов возможно при использовании экспериментальных характеристик упругости и прочности, соответствующих методике расчета. Использование экспериментального подхода затруднено ввиду огромного количества вариантов соединений композиционных материалов.

Цель исследования – изучение влияния конструкторских и технологических факторов на прочность болтовых соединений композиционных материалов типа углепластиков при растяжении, направленном вдоль оси соединения, анализ результатов, моделирование объекта исследования, разработка рекомендаций для проектирования и оптимизация конструкции болтовых соединений по критерию максимальной удельной прочности. Экспериментальное исследование было проведено с использованием методики теории планирования эксперимента.

4. Получение и анализ математической модели

Полная версия статьи: PDF; DOC

5. Выводы

По результатам эксперимента получена многофакторная математическая модель, позволяющая прогнозировать прочностные свойства болтовых соединений композиционных материалов и оптимально их проектировать. Использование планирования эксперимента позволило получить надежную модель от большого количества факторов. Особенностью задачи является нестандартная область планирования экспериментов вследствие статистической зависимости факторов, которая была устранена за счет преобразования факторного пространства.

По полученной многофакторной модели были найдены оптимальные значения конструкторских и технологических факторов и результаты использованы при проектировании самолетов КБ им. О.К. Антонова.

С разработанными методами решения регрессионных задач и полученными результатами можно ознакомиться в [7, 8].

 

Список литературы:

  1. Василевский Е.Т. Система экспериментального обеспечения расчета на прочность механических соединений деталей из композитов / Е.Т. Василевский, А.З. Двейрин, Я.С. Карпов, С.П. Кривенда // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. – 2010, №47. – С. 42...52.
  2. Рудаков К.Н. Моделирование болтовых соединений из ПКМ в программном комплексе FEMAP/NX NASTRAN / Рудаков К.Н., Шукаев С.Н. // Вісник НТУУ «Київський політехнічний інститут», сер. Машинобудування. – 2013. – С. 199...206.
  3. Киркач А.Б. Проблемы прочности болтовых соединений на основе слоистых композиционных пластиков. Электронный ресурс: http://www.khai.edu/csp/nauchportal/Arhiv/OIKIT/2010/OIKIT47/p42-52.pdf.
  4. Радченко С.Г. Методология регрессионного анализа. Монография / Радченко С.Г. – К.: «Корнійчук», 2011. – 376 с.
  5. Лапач С.Н. Планирование, регрессия и анализ моделей PRIAM (ПРИАМ) / Лапач С.Н., Радченко С.Г., Бабич П.Н.. SCMC-90; 325, 660, 668 // Программные продукты Украины: каталог. – Software of Ukraine: Catalog. – К., 1993. – C. 24...27.
  6. Радченко С.Г. Системное оптимальное планирование регрессионного эксперимента / С.Г. Радченко // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2012. – Т. 78, №7. – С. 71...75.
  7. Лаборатория экспериментально-статистических методов исследований (ЛЭСМИ).
    Электронный ресурс: http://n-t.ru/sp/lesmi/
  8. Сайт кафедры «Технология машиностроения» Механико-машиностроительного института Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт».
    Электронный ресурс: http://tm-mmi.kpi.ua/index.php/ru/1/publications/

Рецензент: доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Динамика и прочность машин и сопротивление материалов» Шукаев Сергей Николаевич, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев.

Ранее опубликовано:

Радченко С.Г. Математическое моделирование прочности болтовых соединений композиционных материалов типа углепластиков / С.Г. Радченко, С.Н. Лапач, А.З. Двейрин, Е.Т. Василевский // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. Сборник научных трудов. – Харьков: «ХАИ», 2014. – Вып. 63. – С. 61...71. УДК 620.168.

Дата публикации:

6 марта 2015 года

Электронная версия:

© НиТ. Совместные проекты, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика