Численное моделирование напряженно-деформированного состояния треугольных труб сетчатой (изогридной) структуры из углепластика Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 539.374 : 678.5

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРЕУГОЛЬНЫХ ТРУБ СЕТЧАТОЙ (ИЗОГРИДНОЙ) СТРУКТУРЫ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА

А. П. Белоглазов1, И. В. Словцов2, М. В. Титаренко1, В. Л. Чернявский1

:ООО «Ниагара» Российская Федерация, 119049, г. Москва, ул. Донская, д. 6, стр. 2 E-mail: [email protected] 2СП ЗАО «Би Питрон» Российская Федерация, 191014, Санкт-Петербург, Виленский переулок, 4 E-mail: [email protected]

Цель исследования - оценка влияния конструкции (структуры) треугольной изогридной трубы из ПКМ (угол наклона намотки, сечения наклонных и продольных элементов) с целью оптимизации массовых и механических характеристик. Результаты могут быть использованы для оптимизации элементов каркасов солнечных батарей.

Ключевые слова: треугольные трубы, изогридная структура, композитные материалы, конечно-элементное моделирование.

FINITE ELEMENT MODELING OF THE STRESS-STRAIN BEHAVIOUR OF LATTICE PATTERN

COMPOSITE TUBES (ISOGRID) WITH TRIANGULAR CROSS-SECTION

A. P. Beloglazov1, I. V. Slovtsov2, M. V. Titarenko1, V. L. Cherniavskii1

1OOO "Niagara" 6, Donskaya Str. bldg. 2, Moscow, 119049, Russian Federation E-mail: [email protected]

2SP ZAO "Bee Pitron" 4, Vilensky pereulok, Saint-Petersburg, 191014, Russian Federation E-mail: [email protected]

Research is dedicated to impact assessment of the design (structure) of a composite isogrid tube with triangular cross-section (the angle of the winding, the profile of inclined and longitudinal elements) to optimize mass and stress-related characteristics. The results can be applied to optimize the frame elements of solar panels.

Keywords: triangular tubes, isogrid, composite materials, finite element modeling.

Переход с металлов на ПКМ, в частности, на углепластики, существенно улучшает массовые характеристики конструкции. Поскольку углепластики анизотропны, оптимизация непосредственно конструкции, в частности, армирующих элементов, крайне важна.

Данная работа посвящена оптимизации конструкции элементов каркаса силовой панели солнечных батарей для обеспечения минимальных массовых характеристик при сохранении прочностных и жестко-стных параметров.

В качестве переменных факторов выступают:

- боковые элементы: их количество и расположение (угол наклона относительно силовых продольных ребер);

- сечения продольных ребер и наклонных поперечных элементов;

Также важным является определение правильных граничных условий соединения наклонных поперечных и наклонных перпендикулярных элементов с продольными ребрами (шарнирное, жесткое, деформируемое).

На данном этапе подбирались расчетные модели в вычислительных экспериментах и оценивалось влияние вышеуказанных характеристик на дефор-

мационные (жесткостные) и массовые характеристики.

Из литературы известно рассмотрение треугольной трубы изогридной структуры как пустотелой трубы треугольного сечения со сплошной стенкой приведенной толщины и как параметрической системы стержневых элементов [1].

Предложенный нами вариант: 3 несущих ребра и поддерживающие их наклонные поперечные элементы. Преимущества: учет технологии изготовления изделий методом намотки жгутов, учет особенностей деформирования изогридных конструкций, учет свойств композиции разных материалов. Недостатки: длительность расчета, не учтена слоистая структура композита.

В настоящей работе предусматривалось получение многофакторных зависимостей для упрощения выбора оптимальных конструкций.

Для решения поставленной задачи в программном комплексе SolidWorks была создана параметрическая модель балочной изогридной структуры [2]. Общий вид конструкции представлен на рис. 1. Конструкция представляет собой 3 несущих ребра и поддерживающие их поперечные наклонные элементы.

Решетневскуе чтения. 2017

Рис. 1. Общий вид конструкции

б

Рис. 2. Схемы нагружения конструкции: а - схема нагружения 1; б - схема нагружения 2

Характеристики конструкции

Максимальный прогиб, мм

Сила, Н 45°, схема 1 45°, схема 2 30°, схема 1 30°, схема 2 15°, схема 1 15°, схема 2

500 0,58 0,83 0,44 1,02 0,93 1,17

2500 2,89 4,16 3,71 5,01 4,62 5,84

5000 5,77 8,32 7,43 10,03 9,29 11,69

Массовые характеристики

Плотн., кг/м.п. 0,184 0,175 0,171

Для опытных образцов для испытаний предусмотрено устройство поперечных «хомутов» для предупреждения локальных перегрузок отдельных элементов изогридной конструкции при испытаниях [3]. Хомуты также воспроизведены в расчетных схемах. Результаты испытаний будут в дальнейшем использованы для верификации методов расчета.

Модель была импортирована в программный комплекс ЛшуБ МиШрИузюБ для дальнейшего расчета методом конечных элементов [4].

Были проведены расчеты для двух схем нагружения. Схемы представлены на рис. 2, а, б.

Задаваемая нагрузка для каждой схемы нагружения варьировалась от 500 до 5000 Н [5]. Вторым параметром в расчетах выступал угол намотки. Были проведены расчеты для следующих углов: 15°, 30°, 45°. Результаты расчетного максимального прогиба

конструкции в зависимости от приложенной силы и массовые характеристики представлены в таблице.

Результаты расчета показали наличие влияния углов наклона элементов. При малых углах требуется изменение технологии изготовления: увеличения «за-ходности» намотки, т. е. количества наклонных поперечных элементов на единицу длины трубы. Оптимальные массовые и механические характеристики показывает конструкция с углом намотки 30°.

Библиографические ссылки

1. Бакаенко В. Д., Егоров Д. В. Моделирование сетчатых композитшх спиц зонтичных антенн с треугольным поперечным сечением // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч. конф. (10-14 ноября 2015, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ.

ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 68-70.

2. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитным материалами / Е. З. Аксель-род, Ю. Г. Хаютин, В. Л. Чернявский и др. М., 2006. С. 83-89.

3. SolidWorks 2016 Help [Электронный ресурс]. URL: http://help.solidworks.com/2016/english/solidworks/ sldworks/t_entering_parameters_in_a_design_table.htm (дата обращения: 25.08.2017).

4. Ansys 18.0 User Guide.

5. Ansys Release 18.0 Documentation Mechanical APDL Stryctural Analisys guide. P. 17-19.

References

1. Bakaenko V. D., Egorov D. V. Modeling composite latticed spokes of umbrella-type space antenna with triangle cross-section // Мaterialy XIX Mezhdunar. nauch.

konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XIX Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2015. P. 68-70 (In Russ.).

2. Rukovodstvo po usileniyu zhelezobetonnykh kon-struktsiy kompozitnym materialami [Manual for strengthening reinforced concrete structures with composite materials] / E. Z. Akselrod, Y. G. Khayutin, V. L. Chern-yavskiy et al. M., 2006. P. 83-89.

3. SolidWorks 2016 Help/ Availible at: http://help.solidworks.com/2016/english/solidworks/sldw orks/t_entering_parameters_in_a_design_table.htm (accessed 25.08.2017).

4. Ansys 18.0 User Guide.

5. Ansys Release 18.0 Documentation Mechanical APDL Stryctural Analisys guide P. 17-19.

© Белоглазов А. П., Словцов И. В., Титаренко М. В., Чернявский В. Л., 2017