УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГОЛОВНОГО ОБТЕКАТЕЛЯ СНАРЯДА ПРИ ВОЗРОСШИХ НАГРУЗКАХ

АННОТАЦИЯ

Обтекатель сборный (ОС) – головная часть боевого снаряда эксплуатируемого при высоких температурных нагрузках. Учитывая, что боевые снаряды постоянно эволюционируют  в связи с необходимостью улучшения их тактико-технических характеристик, это приводит к увеличению температурных нагрузок на головную часть снаряда до экстремальных значений. Также значимо возрастает уровень перегрузок, воздействующих на ОС. В связи с этим, возникает необходимость усовершенствования конструктивно-силовой схемы ОС таким образом, чтобы обеспечивался необходимый запас прочности ОС в условиях возросшей нагрузки.  По результатам данной работы есть основания полагать, что такие усовершенствования возможны путем замены некоторых металлических элементов ОС на элементы из композиционного материала.

ABSTRACT

Cone assembly is a nose part of a service projectile operated at high temperature loads. Considering that service projectiles are constantly evolving due to the need of improvement of their performance characteristics, it results in increase of temperature loads applied to the projectile nose up to extreme values. There is also a considerable increase in the rate of overloads affecting the cone assembly. Therefore, there is a need to improve the structural design of the cone assembly so as to provide the required safety margin of the cone assembly under the increased load. According to the results of this study, it is reasonable to assume that such improvements can be made by replacing some of the metallic elements of the cone assembly with composite ones.

Ключевые слова: головной обтекатель, композиционный материал, снаряд, температурные нагрузки, Nastran.

Keywords: nose cone, composite, projectile, temperature loads, Nastran.

Рассматривается конструкция обтекателя сборного (далее ОС) состоящего из керамической оболочки, металлического и композиционного шпангоутов. Данная конструкция обеспечивала необходимую прочность ОС при эксплуатации боевого снаряда, который имел тактико-технические характеристики предыдущего поколения. С увеличением требований к тактико-техническим характеристикам снарядов следующего поколения увеличиваются и нагрузки, действующие на головной обтекатель снаряда, в связи с чем конструкция ОС предыдущего поколения уже не обеспечивала необходимую прочность. Перед авторами данной работы стояла задача адаптировать конструкцию ОС к возросшим нагрузкам до достижения необходимого запаса прочности.

Для определения НДС использован метод  конечных элементов в среде MSC/Nastran [1,2].

Для конечно-элементного (FE) моделирования ОС выбран элемент СHEX, количество элементов СTET < 2% от общего кол-ва элементов [1,2].

ОС представляет собой оболочку конусной формы (рис.1), состоящую из четырех компонентов (рис.2,3). 

Рисунок 1. Конечно-элементная (FE) модель ОС

Рисунок 2. Сечение FE- модели

Рисунок 3. Структура сечения FE- модели

В процессе эксплуатации ОС подвергается двум режимам нагружения. Первый режим нагружения состоит из температурного воздействия величиной ΔТ =50⁰ С на все элементы ОС и силовым воздействием в виде силы (способ приложения на рис.4) с компонентами по осям координат F_х= 9690 Н и F_y= 6220 Н. Второй режим нагружения вызван неравномерным температурным воздействием на ОС распределенным след. образом: ΔТ_{керамики}=650⁰С, ΔТ_{композита}=450⁰С, ΔТ_стали=350⁰С, ΔТ_клея=480⁰С, а так же силовой нагрузкой (способ приложения на рис.5,6) с компонентами по осям координат F_х= 2430 Н и F_y= 3940Н.

Рисунок 4. Первый режим нагружения ОС

Рисунок 5. Второй режим нагружения ОС

Рисунок 6. Силовые нагрузки при втором режиме нагружения

Способ закрепления ОС задаются в виде заделки по нижней поверхности металлического шпангоута (запрещены линейные и угловые перемещения) для всех режимов нагружения (рис.7).

Рисунок 7. Граничные условия

Проведенный инженерный анализ ОС в системах MSC при первом режиме нагружения выявил деформированное состояние конструкции ОС, представленное на рис.8.

Рисунок 8. Деформированное состояние и распределение перемещений (мм) по элементам ОС (первый режим нагружения)

Распределение напряжений Мизеса представлено на рис.9. Из этого рисунка видно, что максимальные напряжения возникнут в стальном шпангоуте и составят 352 Мпа.

Рисунок 9. Деформированное состояние и распределение напряжений Мизеса (Мпа) по ОС (первый режим нагружения)

При этом, максимальные главные напряжения в керамич. оболочке составят σ_главн.= 9,3 МПа, напряжения Мизеса в шпангоуте из композ. материала составят σ_max = 95 МПа, а сдвиговые напряжения в клеевом слое составят τ_max = 0,7 МПа.

Проведенный инженерный анализ ОС в системах MSC при втором режиме нагружения выявил деформированное состояние конструкции ОС, представленное на рис.10.

Рисунок 10. Деформированное состояние и распределение перемещений (мм) по элементам ОС (второй режим нагружения)

Распределение напряжений Мизеса для второго режима нагружения представлено на рис.11. Из этого рисунка видно, что максимальные напряжения возникнут в стальном шпангоуте и составят 2000 Мпа. При этом, максимальные главные напряжения в керамич. оболочке составят σ_главн.= 22 МПа, напряжения Мизеса в шпангоуте из композ. материала составят σ_max = 527 МПа, а сдвиговые напряжения в клеевом слое составят τ_max = 1 Мпа.

Рисунок 11. Деформированное состояние и распределение напряжений Мизеса (Мпа) по ОС (вариант нагружения №2)

Детальное распределение напряжений по стальному шпангоуту представлено на рис. 12.

Рисунок 12. Деформированное состояние и распределение напряжений Мизеса (Мпа) по стальному шпангоуту (второй режим нагружения)

Как видно из рисунков 11-12, максимальные напряжения в ОС возникают при втором режиме нагружения, при этом значения напряжений в стальном шпангоуте многократно превосходит предельно допустимые напряжения для стали. Так же недопустимый уровень напряжений возникает в шпангоуте из композиционного материала. Для снижения напряженности конструкции ОС был предложен вариант конструктива, в котором материал стального шпангоута заменен на композиционный материал (аналогичный материалу шпангоута из КМ). Структура такой конструкции ОС представлена на рис.13.

Рисунок 13 Структура сечения FE- модели обновленной конструкции ОС

Проведенный инженерный анализ обновленного ОС, при втором режиме нагружения, выявил деформированное состояние конструкции ОС, представленное на рис.14.

Рисунок 14. Деформированное состояние и распределение перемещений (мм) по элементам обновленного ОС

Распределение напряжений Мизеса для обновленной конструкции ОС представлено на рис.15. Из этого рисунка видно, что максимальные напряжения возникнут (в отличии от предыдущей компоновки ОС) в шпангоуте из КМ (на рис.13 выделен зеленым цветом) и составят 96 Мпа. При этом максимальные главные напряжения в керамич. оболочке составят σ_главн.= 7 МПа, напряжения Мизеса в обновленном шпангоуте (на рис.13 выделен оранжевым цветом) из композ. материала составят σ_max = 75 МПа, а сдвиговые напряжения в клеевом слое составят τ_max = 0,5 Мпа.

Рисунок 15 Деформированное состояние и распределение напряжений Мизеса (МПа) по элементам обновленного ОС

Детальное распределение напряжений по обновленному шпангоуту представлено на рис. 16.

Рисунок 16. Деформированное состояние и распределение напряжений Мизеса (Мпа) по обновленному шпангоуту из КМ

Результаты инженерного анализа конструкций ОС сведены в таб.1.  

Таблица 1.

Результат анализа прочности ОС

Заключение

Как видно из рисунков 15-16 и таблицы 1, есть основания полагать, что обновленная конструкция ОС будет иметь значительно меньший уровень напряжений при втором режиме нагружения, чем исходная конструкция ОС. При этом такая конструкция будет обладать достаточным запасом прочности (для конструкций рассматриваемого типа необходимый коэф. запаса прочности: К≥1,5).

Список литературы:

1. Рычков С.П. MSC.visualNASTRAN для Windows / Рычков С.П. – М.: НТ Пресс, 2004. – 552с.
2. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. – M.: ДМК, 2001. – 446с.