Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Устойчивость и прочность скошенных слоистых композитных панелей

Диссертация: Устойчивость и прочность скошенных слоистых композитных панелей
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Исследовано влияние углов скоса и структуры армирования на разрушающие усилия сжатия и сдвига при плоском напряженном состоянии. Отмечается, что рациональные по прочности структуры армирования отличаются от структур, найденных из условия максимума критических усилий. В отличие от прямоугольных панелей, в которых в качестве характеристики точек бифуркации конструкции широко используются… Читать ещё >

Устойчивость и прочность скошенных слоистых композитных панелей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Основные соотношения 25 1.1. Постановка задачи
  • 2. Устойчивость и прочность ромбовидных композитных панелей
    • 2. 1. Устойчивость ромбовидных панелей
      • 2. 1. 1. Критические усилия сжатия и сдвига при изолированном нагружении
      • 2. 1. 2. Прочность ромбовидных панелей при изолированном нагружении'
    • 2. 2. Устойчивость ромбовидных панелей при комбинированном нагружении
      • 2. 2. 1. Прочность ромбовидных панелей при комбинированном нагружении
  • 3. Устойчивость и прочность трапециевидных панелей
    • 3. 1. Устойчивость трапециевидных панелей
    • 3. 2. Устойчивость трапециевидной панели при изолированном нагружении
      • 3. 2. 1. Прочность трапециевидных панелей при изолированном нагружении
    • 3. 3. Устойчивость трапециевидной панели при комбинированном нагружении
      • 3. 3. 1. Прочность трапециевидной панели при комбинированном нагружении
  • Заключение

Актуальность темы

.

Гладкие и подкрепленные панели, нагруженные потоками сжимающих и касательных усилий, являются одними из основных силовых элементов тонкостенных конструкций летательных аппаратов. Наряду с прямоугольными широкое распространение получили панели других формромбовидные, трапециевидные, треугольные и т. д. Имеющиеся теоретический и экспериментальный заделы относятся, в основном, к традиционным панелям и практически не касаются проблем прочности и устойчивости косоугольных панелей. Кроме традиционных изотропных материалов в последние годы для изготовления тонкостенных элементов все шире используются композиционные материалы (композиты). Качественные отличия композитов от алюминиевых и титановых сплавов, в частности, их анизотропия и слоистая структура, приводят к необходимости разработки новых методов расчета и проектирования силовых конструкций, учитывающих как специфические особенности материалов, так и их форму. Имеющийся ограниченный опыт внедрения композиционных косоугольных панелей в конструкции летательных аппаратов показал, что устойчивость и прочность панелей при сжатии и сдвиге трудно прогнозировать существующими расчетными методами, а типичное для композитов хрупкое разрушение в значительной степени ограничивает преимущество в эксплуатационных характеристиках композитной панели по сравнению с металлической.

Эффективное внедрение композитов в скошенных конструкциях летательных аппаратов связано с актуальной проблемой разработки прикладного метода расчета на устойчивость и прочность при сжатии, сдвиге и комбинированном нагружении панелей с формой в виде параллелограмма или трапеции, а также поиска рациональных структур армирования, обеспечивающих максимум критических усилий для таких тонкостенных силовых элементов.

Целью работы является:

— построение общей теории композитных скошенных систем, учитывающей, с одной стороны, слоистый характер и анизотропию материала, с другойособенности геометрии контура, и позволяющей определять напряженно-деформированное состояние косоугольных композитных панелей;

— исследование влияния углов скоса, соотношения сторон, структуры армирования на критические и разрушающие усилия сжатия и сдвига;

— поиск рациональных структур армирования, обеспечивающих максимум критических усилий при изолированном и комбинированном нагружении;

— оценка прочности композитной косоугольной панели в момент потери устойчивости и уточнение структуры армирования из условия максимума разрушающих усилий при изолированном и пропорциональном комбинированном нагружении.

Научная новизна работы определяется.

— построенной прикладной теорией композитных косоугольных панелей, включающей соотношения механики скошенных тонкостенных систем;

— решением задач устойчивости и прочности слоистых композитных панелей с контуром в виде параллелограмма или трапеции;

— исследованием влияния геометрии панели и структуры армирования слоев композита на критические и разрушающие усилия сжатия и сдвига при изолированном и комбинированном нагружении.

Практическая значимость работы определяется.

— полученными соотношениями механики скошенных композитных конструкций;

— зависимостями для критических и разрушающих усилий сжатия и сдвига, учитывающими особенности геометрии тонкостенной конструкции;

— рекомендациями по выбору рациональных структур армирования композитных косоугольных панелей, обеспечивающих максимум критических усилий при изолированном и комбинированном нагружении;

— рекомендациями по выбору рациональных структур армирования композитных косоугольных панелей, обеспечивающих максимум разрушающих усилий при плоском напряженном состоянии.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием общепринятых соотношений строительной механики тонкостенных конструкций и механики композитов, известными численными методами и подтверждается сопоставлением теоретических результатов с опубликованными решениями.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на.

— XXX Международной молодежной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 6−10 апреля 2004 г.;

— I Российское научно-техническом симпозиуме «Интеллектуальные композиционные материалы и конструкции в аэрокосмической технике», Москва, 23−24 июня 2004 г.;

— XXXI Международной молодежной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 5−9 апреля 2005 г.

Публикации. Основное содержание работы изложено помимо тезисов докладов конференций в двух публикациях:

1. Азиков И. Н. Устойчивость трапециевидных анизотропных панелей. -Вопросы, оборонной техники, сер. 15 «Композиционные неметаллические материалы в машиностроении». — М.: НТЦ «Информтехника», — 2004, вып.1(134)-2(135), с.7−11.

2. Бунаков В. А., Азиков И. Н. Устойчивость панелей сетчатой структуры. — Научные труды МАТИ им. К. Э. Циолковского. Вып.6(78).- М.: ИЦ «МАТИ» — ?ГТУ им. К. Э. Циолковского, 2003. — С. 144−150.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка цитируемой литературы из 99 наименований. Общий объем диссертации — 186 страниц, включая 166 рисунков и 9 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе проведенных в диссертации исследований сформулированы следующие основные результаты и выводы:

1. Разработана теория тонкостенных скошенных слоистых систем, включающая уравнения равновесия, функционал энергии, геометрические и физические соотношения, кинематические и статические граничные условия.

2. Решен ряд новых задач устойчивости и прочности скошенных изотропных и слоистых композитных панелей при изолированном и комбинированном нагружении.

3. Анализ примецяемых в инженерной практике методик расчета критических усилий для скошенных панелей показал, что они: (а) ориентированы только на изотропные материалы- (б) дают заниженные значения критических усилий осевого сжатия- (в) не учитывают направление действия касательных усилий и, следовательно, неадекватно оценивают момент потери устойчивости при сдвиге.

4. Исследовано влияние углов скоса и структуры армирования на критические усилия сжатия и сдвига композитных свободно опертых панелей приизолированном и комбинированном нагружении. Отмечается, что в случае осевого и поперечного сжатия преимуществом обладают ортотропные схемы армирования ±-ср, однако направление армирования не всегда совпадает с продольной осью панели. В случае нагружения панели касательными усилиями преимущество имеют однонаправленные структуры, в которых в момент потери устойчивости композитные слои сжаты.

5. В отличие от прямоугольных панелей, в которых в качестве характеристики точек бифуркации конструкции широко используются коэффициенты устойчивости, для оценки устойчивости скошенных панелей необходимо ориентироваться только на критические усилия сжатия и сдвига.

6. Использование традиционного подхода для оценки точек бифуркации косоугольных панелей при комбинированном нагружении не всегда оправдано из-за необходимости построения трехмерной поверхности устойчивости.

7. Исследовано влияние углов скоса и структуры армирования на разрушающие усилия сжатия и сдвига при плоском напряженном состоянии. Отмечается, что рациональные по прочности структуры армирования отличаются от структур, найденных из условия максимума критических усилий.

Показать весь текст

Список литературы

  1. И.Н. Устойчивость трапециевидных анизотропных панелей. -Вопросы оборонной техники, сер.15 «Композиционные неметаллические материалы в машиностроении». — М.: НТЦ «Информтехника», — 2004, вып.1(134)-2(135), с.7−11.
  2. И.Н. Устойчивость и прочность трапециевидных композитных панелей. Сб. «Тр. первого российского научно-технического симпозиума», М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 23−24 июня 2004. — 4с.
  3. И.Н. Основные соотношения скошенных систем. М.: МАТИ -РГТУ им. К. Э. Циолковского. XXX Гагаринские чтения. Тезисы докладов межд. Конференции, Москва, 6−10 апреля 2004. — т.2, c. l 11.
  4. И.Н. Рациональные структуры армирования ромбовидных панелей при сжатии и сдвиге. М.:МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского. XXXI Гагаринские чтения. Тезисы докладов межд. Конференции, Москва, 5−9 апреля 2005. — Т.5, с. 56.
  5. Н.А. Основы расчета на устойчивость упругих систем. М.: Машиностроение, 1991.-336с.
  6. Н.А., Зиновьев П.А>, Попов Б. Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1984. — 446с.
  7. Н.В., Кобелев В. В., Рикардс Р. Б. Оптимизация элементов конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988.-224с.
  8. В.А., Азиков И. Н. Устойчивость панелей сетчатой структуры. Научные труды МАТИ им. К. Э. Циолковского. Вып.6(78).- М.: ИЦ «МАТИ» — РГТУ им. К. Э. Циолковского, 2003. — С. 144−150.
  9. А.А. Закритическое напряженно-деформированное состояние квадратной ортотропной пластины из стеклопластика. Рига: Механика полимеров, 1967, N3,-c.544−552.
  10. В.В., Кузнецов Ю. А. Матрицы и вычисления. М.:Наука, 1984.-320с.
  11. А.С. Устойчивость деформируемых систем.- М. :Наука, 1967.-983с.
  12. И.П., Устинов Ю. А. Устойчивость и закритическое поведение слоистых пластиц. -Прикладная механика, 1979, t.15,-N10,-c.89−96.
  13. Э.М. Расчет прямоугольных пластин из стеклопластика при поперечном изгибе с учетом геометрической нелинейности при несмещающихся кромках. -Изв. ВУЗов, Строительство и архитектура, 1966, N3, -с.74−78.
  14. К.М., Фомин В. П. Влияние жесткости поперечного сдвига на устойчивость слоистой ортотропной пластины при комбинированном нагружении. Тр. ЦАГИ, — 2001, № 2646. — С.25−35.
  15. К.М., Фомин В. П. Параметрические исследования устойчивости анизотропной пластинки при комбинированной нагрузке.- Тр. ЦАГИ, 2001, № 2651. — С.57−64.
  16. А.А. Механика сплошной среды. Учебник. М.: Изд. МГУ, -1978.-287с.
  17. Композиционные материалы: Справочник под общей ред. Васильева В. В., Тарнопольского Ю. М. -М.: Машиностроение, 1990.-512с.
  18. С.А. Послекритическое поведение анизотропных пластин. Сб. трудов Ленингр.инж.-строит.ин-та, 1975, вып.7, -с.54−62.
  19. Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1968. — 720с.
  20. М.С., Исанбаева Ф. С. Гибкие пластины и панели. М.: Наука, — 1968. — 260с.
  21. В.А., Бочкарева Т. А. Оптимальное проектирование ребристых прямоугольных пластин с учетом физической и геометрической нелинейностей. Температур, задачи и устойчивость пластин и оболочек. — Саратов, 1988. С. 119−122.
  22. А.В. Закритическое поведение защемленной по контуру прямоугольной пластины переменной толщины. -Чита: Читин. политех. ин-т, 1986. — 9с.(деп. в ВИНИТИ NO.1908-B. Деп. от 20.03.86).
  23. А.И. Теория упругости. М.: Наука, — 1970. — 940с.
  24. Э. Математический аппарат физики. М.: Наука, 1968. -620с.
  25. Н.В. Большие прогибы трапециевидных пластинок с заделанными краями. -Сб.Прочность и устойчивость элементов тонкостенных конструкций. -М.Машиностроение, 1967, N2, с.330−356.
  26. Е.М., Теребушко О. И. Связанные формы потери устойчивости сжатой панели, подкрепленной продольными ребрами. -М.: МХТИ, 1980, деп. N1128−81.
  27. И.Ф., Васильев В. В., Бунаков В. А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. -М. Машиностроение, 1977.-144с.
  28. И.Ф., Онанов Г. Г. Строительная механика скошенных тонкостенных систем. М.: Машиностроение, — 1973. — 660с.
  29. Ф.А. Военные самолеты. -В кн.:Композиционные материалы, т. З/Пер. с англ.-М. .'Машиностроение,-1978,-с. 130−173.
  30. Программирование, отладка и решение задач на ЭВМ единой серии. Язык Фортран: Учебн. Пособие для ВУЗов / Под ред. И. А. Кудряшова. JL: Энергоатомиздат, Ленингр. Отделение, — 1988. — 208с.
  31. Прочность, устойчивость, колебания: Справочник т. З /Под ред. i
  32. И.А.Биргера и Я. И. Пановко. М.: Машиностроение, 1968.
  33. А.А. Введение в численные методы. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Наука, — 1987. — 288с.
  34. М.А. Исследование устойчивости и закритического поведения шарнирно опертых пластин и цилиндрических панелей со сложным сочетанием контура. -Казань: Статика и динамика оболочек, 1979, вып.12, с.103−112.
  35. Agarwal B.L. Postbuckling behavior of composite shear webs. -AIAA
  36. Journal, -1981, v. 19, No.7, -pp.933−939.i
  37. Alaa M. Post-buckling behavior of stiffened plates with small initial curvature under combined loads. -Ins. Shipbuild. Progr., 1971, -v. 18, No.202, -pp.217−240.
  38. Arnold R.R., Mayers J. Buckling, postbuckling and crippling of materially nonlinear laminated composite plates. -Int. J. Solid and Struct., -1984,-20, No.9−10, -pp.863−880.
  39. Banks W.M., Harvey J.M. Experimental study of stability problems in composite materials. -Stab. Probl. Eng. Struct, and Components, Cardiff, -1978, -London, -1979, -pp. 1−22.
  40. Bruno D., Lato S., Sacco E. Nonlinear analysis of bimodular composite plates under compression. Comput. Mech., -1994, -14, N1, -pp.28−37.
  41. Carrera Erasmo. Nonlinear response of asymmetrically laminated plates in cylindrical bending. AIAA Journal, -1993, -31, N7, — pp. 1353−1357.
  42. Ghian Le-Chung, Wu Teng-Yuan. Application of the finite element method to postbuckling analysis of laminated plates. AIAA Journal, 1995,-33, N12, -pp.2379−2385.
  43. Danielson K.T., Tielking J.T. Membrane boundary condition effects on unsymmetric laminates. J. Engineer. Mechan., -1988, v.114, No.12, -pp.2158−2172.
  44. Edwards D.A., Williams T.W., Kennedy D. Cost optimization of stiffened panels using VICONOPT. AIAA Journal, — 1998, 36, N2, — pp.267−272.
  45. Ellinas C.P., Croll J.G.A. Post-critical analysis of torsionally buckled stiffened plates. -Int. J. Solid Struct., 1980, vol.17, No. l, -pp.11−27.
  46. Engelstad S.P., Reddy J.N., Knight N.P. Postbuckling response and failure prediction of graphite-epoxy plates loaded in compression. -AIAA Journal, -1992, -v.30, No.8, -pp.2106−2113.
  47. Fowler D.R., Newton D.A. The large deflection, post-buckling behaviour of three-phase composite rectangular plates. -Fibre Saence and Technology,-1973, -v.6, No.3, -pp.223−248.
  48. Heitz E. Verbundstrukturn in Flugzeubau. Kunstst. J., -1978, v. 12, No.6,-pp.5−11.
  49. Hui David. Shear buckling of anti-symmetric cross ply rectangular plates. -Fibre Sci. and Technol., -1984, 21, No.4, 0.327−340.
  50. Joshi S.P., Iyengar N.G.R. Optimal design of laminated composite plates under axial compression.-Trans. Can. Soc. Mech. Eng., -1985, -9, No. l,-pp.45−60.
  51. Kaminski B.E., Ashton J.E. Diagonal tension behavior of Boron-Epoxy shear panels. -J. Composite Materials, 1971, v.5(October), -pp.553−558.
  52. Kennedy J.B. Influence of Poisson’s ratio on maximum stress in thin parallelogrammic «panels. -Canad. Aeronaut, and Space Journal, -1967,-vol. 13, No.7, -pp.315−317.
  53. Kennedy J.B., Ng. Simon. Linear and nonlinear analysis of skewed plates. -Trans. ASME.-l 967,-E34,No.2,-0.271−277.
  54. Kennedy J.B., Ng. Simon. Analysis of skewed plate structures with clamped edges. -Trans.Eng.Inst.Canada,-1965,-v.8, No. A9.
  55. Kennedy J.B., Prabhakara M.K. Post-buckling of orthotropic skew plate structures. -J. Struck. Div. Proc. ASCE, -1980, -v. 106, 7, -pp. 1497−1513.
  56. Kishida Mitsuhiro, Fujieda Youji Fujli Katashi. Experiments on axial compressive strength of stiffened plate with a hole. -Bull. Рас. Eng. Hirosima Univ. -1991. 39. N 2, -pp.141−149.
  57. Kitada Т., Nakai H., Furuta T. Experimental study on ultimate strength of stiffened plates subjected to longitudinal tension and transverse compression. Stab. Steel Struct. Int. Conf., Budapest, Apr. 25−27, — 1990. Vol.1, Budapest, 1991,-p.409−416.
  58. Kitipornchai S., Xiang Y., Wang C.M., Liew K.M. Buckling of thick skew plates. Research Report No. CE136, September 1992, the Univercity of Queensland, Brisbane, Australia, 4072. — ISBN О 86 776 4937. — 20p.
  59. Li Shu-guang. Determination of buckling mode and explicit expression of critical load for simply supported rectangular orthotropic plates under biaxial compression. -Applied Mathematics and Mechanics (Engl.edition),-1988, -9, No.9, -pp.907−913.
  60. Lind N.C., Ravindra M.K.,. Sehorn G. Empirical effective width formula. J. Struct. Div. Proc. ASGE, — 1976,-102, No.9,-pp. 1741−1757.
  61. Maewal A., Nachbar W. A perturbation analysis of mode interaction in postbuckling behavior and imperfection sensitivity. Int. J. Solids Struct.,-1977, -vol.13, No. 10, -pp.937−946.
  62. Pandalai K.A., Sathyamoorthy V. Postbuckling behavior of orthotropic skew plates. -AIAA Journal,-1973, v. l 1, No.5,-pp.731−733.
  63. Parhizgar Shahrokh. Verification of laminated plate theory for unsymmetrical laminates.-Journal of Compos. Mater., -1991, -25, No.5,-pp.578−592.
  64. Popescy-Castellin N. Use of chromoplastic models for the study of the behaviour of rectangular plates after buckling. -Aircraft Eng., -1973, -No.l,-pp.4−7.
  65. Prabhakara M.K. Post-buckling behaviour of simply-supported crossply rectangular plates.-Aeronaut.Quart.,-1976,-vol.27, -No.4, -pp.309−316.
  66. Prabhakara M.K., Chia C.Y. Large deflection of rectangular orthotropic plates under combined transverse and in-plane loads. J. Mech. Eng. Science, -1973, -v.15, No.5, -pp.346−350.
  67. Prabhakara M.K., Chia C.Y. Postbuckling of angle-ply and anisotropic plates. -Int. Arch. Bd., -1976, -v.45, No. H2, -pp.l31−139.
  68. Qatu M.S., Leissa A.W. Buckling of transverse deflections of unsymmetrically laminated plates subjected to in-plane loads. AIAA Journal,-1993,-31, N1 ,-pp. 189−194.
  69. Qiao Zong7chun, An iteration algorithm for solving post-buckling equilibrium path of simply supported rectangular plates under biaxial compression. -Appl. Math, and Mech.,-1993,-14, N6, -pp.489−497.
  70. Rhodes J., Harvey J.M. Examination of plate post-buckling behavior. -J. Eng. Mech. Div. proc. ASCE, -1977, v. 103, No.3, -pp.461−478.
  71. Rhodes J., Harvey J.M., Work W.C. The load-carrying capacity of initially imperfect eccentrically loaded plates. Int. Journal Mech. Sci.,-1975,-v.l7,-pp.161−175.
  72. Riley B.L. Composite wing technology on the AV-8B advanced aircraft.-J. of American, Helicopter Soc.,-1979,-27,-pp.29−36.
  73. Romeo G. Experimental investigation on advanced composite stiffened structures under uniaxial compression and bending. J.Eng.Mech.Div.proo. AS СЕ,-1989,-v. 115, N2,-c.684−692.
  74. Rouse Marshall. Postbuckling of flat unstiffened graphiteepoxy plates loaded in shear.-26th Struct. Struct. Dyn. and Mater. Conf., Orlando, Pla, Apr. l5−17, -1985, Pt 1. Coll.Techn.Pap. -New York, N.Y., -1985,-pp.605−616.
  75. Sharman P.W., Humpherson J. An experimental and theoretical investigation of simply-supported thin plates subjected to lateral loaded and uniaxial compression. -Aeronaut.Quart,-1968,-vol.72, No.689,-pp.431−436.
  76. Singh S.B., Kumar Ashwini. Postbuckling strength of symmetrically laminated plates.-19th Int. Congr. Theor. and Appl. Mech., Kyoto, Aug.25−31, -1996. -Abstr. -Kyoto, 1996,-pp.634−636.
  77. Spunt L. Weight optimization of the post-buckling integrally stiffened wide column. -J. Aircraft, -1970, v.7, No.4, -pp.330−333.
  78. Starnes J.H., Rouse M. Postbuckling and failure characteristics of selected flat rectangular graphite-epoxy plates loaded in compression.-AIAA Journal, -1981, 22nd SDM, part 1, — pp.423−434.
  79. Singha Maloy K., Ramachandra L.S., Bandyopadhyay J.N. Stability and strength of composite skew plates under thermomechanical loads. AIAA Journal, — 2001, 39, N8, — pp. 1618−1623.
  80. Stein M. Postbuckling of orthotropic composite plates loaded in compression. -AIAA Journal,-1983, v.21, No. l2,-pp.l729−1735.
  81. Taki Toshimi, Kitagawa Tomohiro. Postbuckling strength of composite stiffened panel under shear load.-Kawasaki juko giko = Kawasaki Techn.Rev.-1996,-N130, -pp.50−55.
  82. Thompson S.P., Loughlan J. The alleviation of post-buckling displacements and nonlinear stresses within laminated plates using SMA actuators. App. Mech. and Eng., — 2000, 5, N1, -pp. 269−282.
  83. Turvey G.J. Large deflection of tapered annular plates by dynamic relaxation.-Proc. ASCE Journal Eng. Mech. Div., 104, EM2, — 1978, -pp.351−366.
  84. Tvergaard V. Influence of post-buckling behavior of optimum design of stiffened panels. Kept. Dan. Center Appl. Math, and Mech., — 1972, -No.35. — 26p.
  85. Yamazaki Kouetsu, Aoki Akihiro. Optimal stiffener shape of thin plate structure against buckling. Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. A., — 1991, -vol.57, No.534, — pp.412−416.
  86. Zhang Y., Matthews W.L. Postbuckling behavior of anisotropic laminated plates under pure shear and shear combined with compressive loading. -AIAA Journal,-!984,-v.22, No.2, -pp.281−286.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!