CC BY
17Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 520.272.22
АНАЛИЗ УЗЛА СОЕДИНЕНИЯ ТРУБЫ И ФИТИНГА СИЛОВОГО КАРКАСА РЕФЛЕКТОРА*
Ю. Ф. Филиппова
Институт вычислительных технологий СО РАН - СКТБ «Наука» Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 53 E-mail: [email protected]
Исследовано напряженно-деформированное состояние узла соединения трубы и фитинга силового каркаса рефлектора. Получены зависимости усилия растяжения трубы от затяжки болта и от напряженного состояния клеевого соединения.
Ключевые слова: силовой каркас рефлектора, болтовое соединение, клеевое соединение.
ANALYSIS OF THE JOINT CONNECTING PIPE AND FITTING REFLECTOR LOAD-BEARING STRUCTURE
Yu. F. Filippova
Institute of Computational Technologies SB RAS - SDTB "Nauka" 53, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper researches the stress-strain state joint connecting the pipe and the fitting of the reflector load-bearing structure. The article shows dependences of the tension of the pipe on the tightening the bolt and on the stress state of the glued connection.
Keywords: reflector load-bearing structure, bolted connection, glued connection.
Введение. Силовой каркас рефлектора представляет собой ферменную конструкцию. Соединение труб и фитинга осуществляется посредством нескольких болтов. Работоспособность соединения определяется условиями предварительной затяжки болтов, наличием либо отсутствием клеевого соединения и действующими в стержнях каркаса усилиями. Рассмотрим поведение соединения в диапазоне возможных значений этих величин.
Максимальное усилие предварительной затяжки болтов определяется из условия прочности болта на разрыв. Максимальное усилие затяжки составляет ^^затяжки = 16880 Н, согласно расчету по общепринятым методикам [1-3]. Из зависимостей усилий в стержневых элементах от геометрического положения рефлектора и условий ветрового воздействия, максимальное расчетное усилие в стержнях каркаса в наиболее неблагоприятном случае нагружения (скорость ветра 50 м/с, угол места а = 60°) составляет Fmax = 33491 Н.
В выполненных далее многовариантных расчетах соединения трубы и фитинга рассматривались усилия затяжки болтов составляющие 20, 50 и 80 % от ^^затяжки, а осевое усилие в трубе составляло 25, 75 и 100 % от Fmax.
Построенная трехмерная геометрическая и конечно-элементная модель учитывает разные типы контактов между элементами соединения - контакты между фитингом и трубой, гайкой и фитингом, обоймой
и трубой предполагали наличие трения скольжения. Контакты между болтом и гайкой, болтом и шайбой принимались жесткими.
Рассматривались два альтернативных варианта узла сочленения:
вариант 1 - соединение трубы и фитинга осуществляется только с использованием болтовых соединений;
вариант 2 - дополнительно имеется клеевое соединение между поверхностями трубы и фитинга.
Полученные результаты показывают, что максимальные напряжения, хотя и во всех случаях меньшие предела прочности, достигают достаточно высоких значений. Это объясняется значительным отличием в жесткостных характеристиках металлических (болт, гайка, шайба, обойма) и композитных (фитинг, труба) элементах соединения. Адекватность полученных результатов подтверждается результатами исследований других авторов. Так, результаты расчетного анализа [4] показывают весьма высокие местные напряжения в композитных деталях болтового соединения, превышающие 1000 МПа.
Результаты экспериментов [5] показывают, что при испытаниях болтовых металлокомпозитных соединений всегда разрушаются композитные составляющие изделия.
В результате анализа установлены следующие особенности.
*Работа выполнена в ходе реализации комплексного проекта при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Министерства образования и науки России). Договор № 02.G25.31.0147.
Решетневскуе чтения. 2017
Напряжения в трубе всегда превышают напряжения в фитинге. Это объясняется как большей толщиной фитинга по сравнению с толщиной трубы, так и большей геометрической сложностью контактной пары труба-обойма по сравнению с контактной парой гайка-фитинг, что, в свою очередь, приводит к большей неравномерности распределения напряжений в трубе и появлению пиковых значений напряжений.
При наличии клеевого слоя максимумы напряжений при наличии усилий в стержневых элементах весьма близки к таковым при отсутствии усилий. Это говорит о том, что при наличии клеевого слоя максимальные напряжения обусловлены деформированием трубы и фитинга вследствие предварительной затяжки болтов, а не вследствие усилий в стержневом элементе. Вариант соединения с дополнительным клеевым слоем между поверхностями трубы и фитинга приводит к более равномерному распределению силового потока между фитингом и трубой, разгрузке зон вокруг отверстий, и, как следствие, снижению максимумов напряжений. Таким образом, вариант соединения с дополнительным клеевым слоем является предпочтительным.
Также для варианта 1 была установлена зависимость усилия затяжки болтов от усилий в трубе. Эта зависимость линейная, показывает, что с увеличением растягивающей силы необходимо большее усилие затяжки болтов. Уравнение прямой имеет вид: у = 2838х - 2904. Значения выше данной линии, свидетельствует о неспособности узла выдерживать нагрузки.
Для варианта 2 (наличие клея) получена следующая линейная область работоспособного состояния: у = 1,81х - 2,29. Предельное усилие на трубу составляет примерно 11000 Н, больше этого значения клеевой слой начинает терять прочность, растрескивается уже при 12 МПа.
Библиографические ссылки
1. Биргер И. А., Иосилевич Г. Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М. : Машиностроение, 1990. 368 с.
2. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. М. : Машиностроение, 1993. 640 с.
3. Ачеркан Н. С. Детали машин. Расчёт и конструирование : справочник. В 3 т. М. : Машиностроение, 1968. Т. 1. 442 с.
4. Рудаков К. Н., Шукаев С. Н. Моделирование болтовых соединений из ПКМ в программном комплексе FEMAP/NX NASTRAN // Вгсник НТУУ «Кшвський полггехшчний шститут». Сер. Машино-будування. 2013. С. 199-206.
5. Боровская Я. С., Гришин В. И., Попов Д. В. К определению усилий среза в болтах многорядных металлокомпозитных стыков // Ученые записки ЦАГИ. 2010. № 6. С. 72-79.
References
1. Birger I. A., Iosilevich G. B. Rez'bovye i flancevye soedinenija [Threaded and flanged connections]. М. : Mashinostroenie, 1990. 368 p.
2. Birger I. A., Shorr B. F., Iosilevich G. B. Raschet na prochnost' detalej mashin [Stress calculation of machine element]. М. : Mashinostroenie, 1993. 640 p.
3. Acherkan N. S. Detali mashin. Raschjot i konstruirovanie. Spravochnik v trjoh tomah. [Machine element. Calculation and construction. Directory in three volumes]. М. : Mashinostroenie, 1968. Vol. 1. 442 p.
4. Rudakov K. N., Shukaev S. N. Modelirovanie boltovyh soedinenij iz PKM v programmnom komplekse FEMAP / NX NASTRAN [Modeling of bolted connections from PKM in the software system FEMAP / NX NASTRAN]. Visnik NTUU «Kiivs'kii politekhnichnii institut». Ser. Mashinobuduvannya. 2013. P. 199-206.
5. Borovskaya Ya. S., Grishin V. I., Popov D. V. K opredeleniju usilij sreza v boltah mnogorjadnyh metal-lokompozitnyh stykov [To the determination of shearing loads in bolts of multi-row metal-composite joints]. Uchenye zapiski TsAGI. 2010. № 6. P. 72-79.
© Филиппова Ю. Ф., 2017
