АНАЛИЗ ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ И УСИЛИЙ МОНТАЖА КОРПУСА СТВОРКИ СЗБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТРУКТУРНОЙ И ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МОДЕЛЯМИ СОТОВОГО СЛОЯ

АННОТАЦИЯ

Конструкция створки (КС) корпуса СЗБ, представляющая собой трехслойную конструкцию сложной формы, включающая в себя цилиндрическую поверхность, коническую поверхность и поверхность торообразной формы. Три слоя конструкции КС представляют собой 2-е одинаковые обшивки, состоящие из 11-и слоев углепластика и 2-х слоев стеклоткани (суммарной толщиной 1,5 мм) и сотовый заполнитель из алюминиевого сплава толщиной 21 мм. Размер грани сотового заполнителя 2,5 мм, толщина фольги 30 мкм. В процессе изготовления, рассматриваемая конструкция помещается в автоклав, где происходит процесс ее формования при температуре Т = 180⁰С. По завершении процесса формования, КС извлекается из автоклава и происходит охлаждение сформованной конструкции на ΔТ~150⁰С до комнатной температуры. Перед авторами данной работы стояла задача определить деформированное состояние КС после ее охлаждения, а так же вычислить монтажную нагрузку, которую необходимо приложить к деформированному конуру КС  для установки его в состав глобального изделия.

ABSTRACT

The design of the sash (CS) of the SZB housing, which is a three-layer structure of complex shape, including a cylindrical surface, a conical surface and a torus-shaped surface. The three layers of the CS structure are 2 identical sheaths consisting of 11 layers of carbon fiber and 2 layers of fiberglass (with a total thickness of 1.5 mm) and a honeycomb filler made of aluminum alloy with a thickness of 21 mm. The size of the face of the honeycomb filler is 2.5 mm, the thickness of the foil is 30 microns. During the manufacturing process, the structure in question is placed in an autoclave, where its molding process takes place at a temperature of T = 1800C. Upon completion of the molding process, the CS is removed from the autoclave and the formed structure is cooled at DT ~ 1500C to room temperature. The authors of this work were faced with the task of determining the deformed state of the CS after its cooling, as well as calculating the mounting load that must be applied to the deformed kennel of the CS for installation it is part of the global product.

Ключевые слова: створка, композиционный материал, Digimat, температурные нагрузки, Nastran.   

Keywords: leaf, composite material, Digimat, temperature loads, Nastran.

Большая сложность рассматриваемой задачи заключается в ее огромной размерности. Сотовый слой в своем составе имеет несколько тысяч стенок, образующих ячеистую структуру и при структурном моделировании сотового слоя размерность конечно-элементной модели створки СЗБ составит порядка 1200000 степеней свободы. Решать задачи такой размерности возможно только на высокопроизводительном ПК, доступ к которому есть далеко не всегда. Соответственно, при расчете   конструкций больших геометрических размеров с сотовым слоем остро встает вопрос о возможностях эквивалентного моделирования таких конструкций, при котором конструкция сот не моделируется как структура, а моделируется как слой сплошной среды с некими гомогенными характеристиками материала. Несмотря на то, что задачи связанные с моделированием конструкций имеющих сотовый заполнитель встречаются все чаще, однако описание подходов к их решению не так много [1,2]. Более того, при более детальном изучении эквивалентных подходов в решении конструкций с сотовым слоем становится очевидным, что далеко не всегда и не во всех расчетных случаях такой подход обеспечивает приемлемую точность решения.  На текущее время самым современным решением сотовых конструкций позиционируется ПО Digimat от корпорации MSC, в алгоритме которого включен уникальный процесс гомогенеза, т.е. приведение характеристик ячеистой структуры сот к однородной структуре с эквивалентными характеристиками материала гомогенной структуры.

Целью данной работы является оценка корректности использования  ПО Digimat для расчетов конструкций с сотовым заполнителем на примере створки СЗБ.

Для расчета температурных деформаций и усилий монтажа створки РЗБ будут рассмотрены 2-а варианта конечно-элементных моделей (учитывая симметричность конструкции во всех случаях рассматривается “половина” створки РЗБ). Внешний вид  створки указан на рис. 1.

Рисунок 1. Внешний вид КС

В структурной конечно-элементной модели создана структура сот при помощи CQAD –элементов [1]. Внешний вид модели сотового слоя показан на рис.2-3.

Рисунок 2. Конечно-элементная (КЭ) модель сот        

Рисунок 3. Фрагмент КЭ модели сот 

В эквивалентной конечно-элементной модели конструкция створки сгенерирована при помощи слоистых двумерных элементов Laminate [2]. Элемент Laminate включает в себя три слоя: два слоя обшивки и слой сот, упругие характеристики которого получены при помощи процедуры гомогенеза, проведенной в ПО Digimat. Программный пакет Digimat является специализированным продуктом корпорации MSC, предназначенным для расчетов конструкций с сотовым заполнителем, в том числе и для вычисления гомогенных характеристик сотового слоя (т.е. ячеестая структура приводится к однородному, сплошному материалу). Предполагается, что использование ПО Digimat является самым современным решением для расчета сотовых конструкций.   На рис. 4 представлен внешний вид такой модели. В таблице 1 указаны упругие характеристики гомогенного (однородного) сотового слоя, вычисленные в ПО Digimat.

Таблица 1.

Характеристики гомогенного (однородного) сотового слоя, вычисленные в ПО Digimat

Рисунок 4. Эквивалентная КЭ модель створки

Для термического анализа нагрузка задается в виде равномерного охлаждения FE-модели КС на Δ= -150⁰С. Граничные условия для нужд термического анализа - каток с запретом перемещений по оси Y узлов, находящихся в плоскости симметрии КС. Для исключения механизма, на центральный узел наложен шарнир. На рис.5 представлены способ нагружения створки и граничные условия.

Рисунок 5.  Граничные условия и способ нагружения FE- модели

На рис. 6 отображены результаты расчета конструкции КС, проведенного при помощи структурной FE-модели (внешний вид которой указан на рис.2,3).

Рисунок 6.  Деформированное состояние и распределение суммарных перемещений (мм) по элементам КС

На рис. 7 отображены результаты расчета конструкции КС, проведенного при помощи эквивалентной FE-модели (внешний вид которой указан на рис.4).

Рисунок 7 .  Деформированное состояние и распределение суммарных перемещений (мм) по элементам КС

Как видно из рис.6-7, результаты расчета температурных деформаций створки при использовании двух разных способах моделирования (структурное и эквивалентное) близки по значению температурных деформаций. По форме деформаций есть отличия между структурной и эквивалентной моделями створки в виде смещения пика деформаций и форме волны деформации. Однако, учитывая, что эквивалентный способ моделирования гораздо проще по своему исполнению в сравнении со структурным способом, такие различия в форме температурных деформаций можно считать допустимыми.

После получения картины температурных деформаций возникает необходимость расчета монтажных нагрузок (т.к. деформированной контур створки необходимо “вернуть” в исходное состояние) и соответствующего им напряженно-деформированного состояния створки. На рис. 8 отображены результаты расчета конструкции КС при воздействии монтажных нагрузок, проведенного при помощи структурной FE-модели. Для снижения размерности такой задачи, для данного расчета использовался фрагмент эквивалентной модели – “половина” модели, внешний вид которой указан на рис.1.

Рисунок 8.  Деформированное состояние и распределение суммарных перемещений (мм) по элементам  КС при воздействии монтажной нагрузки F=250 Н

На рис. 9 отображены результаты расчета конструкции КС при воздействии монтажных нагрузок, проведенного при помощи эквивалентной FE-модели, внешний вид которой указан на рис.4.

Рисунок 9.  Деформированное состояние и распределение суммарных перемещений (мм) по элементам  КС при воздействии монтажной нагрузки F=250 Н (экв. модель створки)

Заключение

Как видно из рисунков 6-7, есть основания полагать, что для анализа температурных короблений конструкций с сотовым заполнителем допустимо использовать эквивалентную модель с характеристиками сотового слоя, полученных путем гомогенеза в ПО Digimat. По абсолютному значению температурных деформаций можно ожидать хорошего совпадения с результатами расчета короблений, вычисленных при помощи структурной модели (которая является эталонной). При этом, в форме температурных деформаций следует ожидать небольших различий с формами, полученными на основе расчета структурной модели. Но, учитывая, что такие различия в формах не являются критическими, а трудоемкость создания эквивалентной модели гораздо ниже трудоемкости создания структурной модели, эти различия в формах деформаций можно считать допустимыми.

Что касается расчета конструкции с сотовым слоем при воздействии силовой нагрузки, то из рис. 8-9 видно, что результат расчета на основе эквивалентной модели имеет огромное отличие от результата расчета на основе структурной модели. И, безусловно, использовать эквивалентную модель сотовой конструкции с гомогенными характеристиками сотового слоя (вычисленными в ПО Digimat) при расчете конструкций под воздействием силовых нагрузок недопустимо.

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.