Место и роль расчётов на прочность в общей задаче проектирования ла

Связь с другими дисциплинами

Расчет на прочность невозможен без знания нагрузок, а во многих случаях и нагрева конструкции. Причем их расчет не менее сложен, чем расчет на прочность. Именно через внешние нагрузки осуществляется взаимосвязь расчетов на прочность с другими инженерными дисциплинами. Эта междисциплинарная связь хорошо прослеживается на схеме, изображенной на рис. 1.

После проектирования облика ракеты известны конфигурация, габаритные размеры и массы основных се частей и отсеков. На рисунке этот этап проектирования отмечен цифрой /. Далее переходят к расчету траектории движения — этап 2, анализу внешнего аэродинамического и внутреннего газодинамического течений — 3, расчету нагрева конструкции — 4, расчету аэродинамических характеристик ракеты — 5 и, наконец, расчету конструкции на прочность и устойчивость — б.

Рис. 1.

Из приведенной схемы хорошо видно, что между различными дисциплинами отсутствует последовательная связь, отсутствуют этапы, следующие один за другим, и фактически для получения окончательной конструкции приходится многократно повторять одни и те же шаги, организуя итерационный процесс.

Схему этого процесса, на которой, в отличие от приведенной на рис 1, указаны моменты принятия решений, можно проследить на рис. 2. На ней также хорошо прослеживаются этапы проектирования, на которых применяются проверочный и проектировочный расчеты. Из схемы видно, что проверочный расчет является последним этапом проектирования конструкции и может иногда не включаться в итерационный процесс, так как эти расчеты в большинстве случаев настолько сложны и трудоемки, что включать их в итерации не имеет смысла.

Рис. 2.

Описанный итерационный процесс, включающий в себя расчеты на прочность, более детально можно проследить на примере конкретного элемента конструкции ракеты — соплового блока двигателя на твердом топливе. Схема основных этапов его проектирования может быть представлена в виде рис. 3.

Обычно основные характеристики сопла известны после общего проектирования двигателя ракеты и вместе с требованиями и ограничениями, поставленными заказчиком, служат отправной точкой для начала проектирования.

Рис. 3.

Сначала проводится газодинамический расчет сопла, когда определяются площади проходных сечений и его геометрический контур. Сопло разбивается на три участка: дозвуковой, область критического сечения и сверхзвуковой. Каждый из участков профилируется в соответствии с имеющимися рекомендациями и методами расчета. Широко используются нормативные материалы, графики и таблицы.

После определения контура сопла начинается проектирование теплозащиты. На первой итерации толщина покрытия и эрозионностойких вкладышей выбирается на основе существующего опыта и рекомендаций. При этом внутренний контур ТЗП должен соответствовать ранее полученному контуру сопла.

Теперь можно приступить к проектированию силовой конструкции, полагая на первой итерации, что все нагрузки воспринимаются силовыми элементами, а ТЗП защищает их от нагрева, не воспринимая нагрузки. Размеры силовых элементов устанавливают на основе накопленного опыта и простейших расчетов на прочность.

По завершении проектирования силовой конструкции первый вариант сопла создан и можно перейти к его уточнению с помощью проверочных расчетов и полномасштабных испытаний. Прежде всего проводится термогазодинамический расчет, в результате которого определяется поле течения в сопле с целью уточнить силовые и тепловые нагрузки, действующие на сопло. Одновременно вычисляют тяговые характеристики сопла.

На этом же этапе могут проводиться полномасштабные огневые испытания, которые позволяют оценить работоспособность конструкции и правильность выбора материалов. При неудовлетворительных результатах необходимо сделать внутреннюю итерацию и вернуться к газодинамическому расчету, т. е. рассмотреть возможность изменения профиля сопла, его теплозащиты и силовой конструкции.

После термогазодинамического расчета наступает этап проверочных прочностных расчетов, когда определяется распределение напряжений в силовой конструкции, возникающих от внутреннего давления, трения и системы управления вектором тяги. Здесь же вычисляют деформации и перемещения вследствие перепада температур и воздействия силовых нагрузок. Расчет проводится по наиболее точным и хорошо зарекомендовавшим себя математическим моделям, таким, например, как метод конечного элемента.

Если результаты расчетов на прочность неудовлетворительны, то проводится вторая внутренняя итерация с корректированием, при необходимости, формы профиля, ТЗП и силовой конструкции. После получения удовлетворительных результатов по прочности рассчитываются масса сопла, его размеры, инерционные характеристики и т. п.

Невыполнение одного из требований, наложенных на конструкцию, заставляет провести внешнюю итерацию, которая возвращает конструктора к началу проектирования, так как не исключается возможность полной замены схемы сопла и создания конструкции, принципиально отличной от уже созданной.

Завершают процесс создания сопла наземные и летные натурные испытания, в результате которых конструкция частично уточняется.

Приведенные схемы основных этапов проектирования конструкции Л, А позволяют сделать следующие выводы:

• 1. Расчеты конструкций на прочность являются одной из важнейших составных частей процесса проектирования.
• 2. Для проведения расчетов на прочность необходимы данные о нагрузках и нагреве конструкции, которые можно получить с помощью траекторных, аэродинамических и тепловых расчетов.

Остановимся теперь на последовательности, в которой следует проводить расчеты на прочность. Отметим здесь, что, говоря «расчеты на прочность», мы имеем, конечно, в виду расчеты на прочность, устойчивость и жесткость. Более того, для корпуса ЛА в большинстве случаев расчеты на устойчивость не менее важны, чем расчеты на прочность (в чистом виде, а не в смысле терминологии).