Проектирование конструкций

Необходим комплексный учет всех требований, и в этом — основная трудность проектирования. Процесс создания наилучшей конструкции получил название оптимизации или оптимального проектирования. Казалось бы, нужно только составить математическую модель проектируемого объекта и найти его оптимальные параметры. Однако есть принципиальная трудность, которая не позволяет решить задачу оптимизации разрабатываемого объекта достаточно корректно. Дело в том, что определение оптимальных параметров конструкции возможно лишь для заданной КОС, но остается нерешенным вопрос об оптимальности самой схемы. На практике эту задачу частично решают таким образом, что одновременно разрабатывают несколько КСС, а затем, прооптимизировав каждую, производят выбор наилучшей. Сказать, что она оптимальная, нельзя, так как нет уверенности, что конструктор рассмотрел все варианты. Разработка КСС во многом определяется инженерной изобретательностью, широтой эрудиции, интуицией, опирающейся на опыт, здравый смысл и понимание проектантом условий функционирования создаваемого объекта. Установление наилучшей КСС — более широкая и важная задача, чем определение оптимальных параметров для заданной схемы.
В соответствии с этим в данной работе ставились две основные цели. Во-первых, для разработки вариантов КСС дать некоторые сведения о наиболее рациональных путях решения задачи, эффективных компоновочных решениях, критериях эффективности материалов, наиболее рациональных формах деталей и конструкциях оболочек, шпангоутов и т. п. Во-вторых, для заданной силовой схемы дать конструктору методики или алгоритмы проектного расчета с определением оптимальных по массе параметров и оценкой эффективности различных конструктивных элементов.

Геометрические несовершенства представляют отклонения поверхности оболочки от теоретического контура, которые могут быть направлены в наружную или внутреннюю сторону с переменным значением прогиба вдоль образующей (рис. 5). Характер отклонений целиком определяется способом изготовления, а также используемым материалом. Как правило, в конструкциях не допускают отклонения, превышающие половину толщины для неподкрепленных гладких оболочек Д<10,56и половину приведенной изгибной толщины для вафельных и трехслойных — А <1 0,5бпр. Местные несовершенства отмечаются в местах соединения оболочек с другими деталями. Например, в зонах, прилегающих к кольцевым или продольным сварным швам, в местах приварки к оболочке кронштейнов (рис. 6) и т. п. Кроме того, в вафельных оболочках при недостаточной длине утолщения под сварку возможны коробления стенки в отдельных ячейках. С целью их уменьшения и исключения преждевременной местной потери устойчивости увеличивают ширину утолщенного участка зоны шва, уменьшают размер ячеек введением дополнительных ребер или увеличивают толщину стенки в ячейках на 20...25%.
К конструктивным несовершенствам относятся те, которые диктуются ограничениями самой конструкции: местные утолщения или отверстия в оболочке, соединение торцов оболочки со шпангоутом внахлестку, при котором помимо безмоментных усилий в стенке возникают изгибающие усилия (рис. 7). Последние могут быть и при стыковом соединении из-за недостаточной жесткости шпангоута или нерационального приложения внешней нагрузки (вид II).
Помимо рассмотренных возможны также технологические несовершенства. Например, при соединении оболочки со шпангоутом сваркой в шве и примыкающей к нему зоне имеются остаточные сварочные напряжения. Их величина может быть достаточно большой и зависит от технологии изготовления (режима сварки, подготовительных операций). Для снятия напряжений применяют отжиг конструкции, если это позволяет материал. С целью компенсации снижения несущей способности из-за сварочных напряжений и геометрических несовершенств в околошовной зоне увеличивают жесткость стенки. В вафельных оболочках наиболее просто это достигается увеличением на 20...25% ширины ребер. Практика подтверждает, что при тщательно отработанных технологических процессах подготовки к сварке и режимах сварки можно добиться существенного уменьшения влияния внутренних сварочных напряжений и геометрических несовершенств и избежать необходимости введения локальных усилений.

Перечисленные факторы дают наглядное представление о важности и сложности процесса выбора коэффициентов безопасности. Чем больше запас прочности, тем надежнее работа узла, Однако увеличение запасов сверх необходимой величины ведет к увеличению массы и габаритов, что не выгодно экономически, а в ряде случаев, например для конструкций летательных аппаратов, недопустимо. Для них устанавливаются минимально возможные коэффициенты безопасности, что требует проведения всесторонней экспериментальной проверки.'
В различных отраслях машиностроения по-разному подходят к выбору коэффициентов запаса. В общем машиностроении принят расчет по допускаемым напряжениям, которые определяются как некоторая доля предела прочности. Кроме того, вводится коэффициент запаса по пределу текучести. За допускаемые напряжения принимают наименьшее значение из этих двух величин. В самолетостроении принят расчет по разрушающим нагрузкам, при этом коэффициенты безопасности регламентируются нормами прочности.
Как отмечалось, коэффициентом безопасности иногда учитывается также неточное знание действующих нагрузок и напряжений из-за приближенности методов расчета. Однако для конструкций, лимитированных по массе, правильнее другой подход: принимать значения / исходя только из условия обеспечения гарантированной надежности работы системы; неточность же расчетных методов, принятых при расчете нагрузок и прочности, уточнять в дальнейшем по результатам натурной экспериментальной отработки. Этот подход дает возможность принять наименьшие значения /. Кроме того, при достаточном объеме экспериментальных данных становится возможным использовать вероятностный учет всех входящих параметров. С такой позиции допустимость дальнейшего снижения коэффициентов безопасности при разработке нового проекта определяется в результате периодической систематизации и обобщения накопившегося опыта эксплуатации, изготовления и экспериментальной отработки.
Конструкции, работающие иа прочность. Расчет прочности проводится с учетом механических свойств материала — пределов прочности ств и текучести а,. Для конструкции с многократным повторным действием нагрузок напряжения, действующие при эксплуатационной нагрузке, не должны превышать значения предела текучести, так как в противном случае будут иметь место остаточные деформации. Учитывая эти требования, расчет прочности удобнее проводить по эксплуатационным нагрузкам. Определенные расчетом напряжения сравнивают с допускаемыми [о], принимают наименьшее из двух следующих значений:
[о] = -^-; (2)
Принимают / = 1,3...2,6; п = 1,0...1,5. Большие значения коэффициентов fun относятся к конструкциям с многолетним сроком эксплуатации при многократном и продолжительном на-гружении, меньшие — при кратковременном действии нагрузок с малым числом их повторяемости.

Для деталей резьбовых соединений запасы прочности увеличивают в 1,25 раза. Это обеспечивает их повышенную прочность по отношению к стыкуемым деталям, что повышает надежность узла или целого агрегата и дает также возможность при экспериментальной отработке выявить картину разрушения самой конструкции.
Конструкции, работающие на устойчивость. Принципы выбора коэффициентов безопасности для конструкций, работающих на сжатие, в основном те же, что и для конструкций, работающих на прочность. Однако здесь к безопасности работы следует подходить с большей осторожностью, так как потеря устойчивости может привести к разрушению всей системы, в то время как, например, явление текучести в растянутом элементе не всегда опасно для конструкции. При выборе коэффициента безопасности сжатых элементов принимают во внимание ряд дополнительных факторов, влияющих на несущую способность. К ним можно отнести качество изготовления, отклонение формы оболочки от теоретических ободьев, отклонение толщин и т. п. Как правило, подобные факторы учитываются при расчете критической нагрузки соответствующим выбором коэффициента устойчивости. Расчет проводится по разрушающим нагрузкам и сводится к определению критической силы потери устойчивости Ркр, которая должна быть
Принимают f = 1,3...2,6. Большее значение относится к конструкциям, внедряемым без экспериментальной проверки с продолжительным сроком эксплуатации, при многократном количестве нагружений, меньшее — для конструкций с кратковременным действием нагрузок и малым числом циклов нагружения при достаточном контроле качества изготовления. \
выбор показателя критерия оптимальности по массе
Критерий оптимальности по массе является основой большинства исследований совершенства конструкций. В одних случаях, например для летательных аппаратов, он вполне оправдан, так как снижение массы н связанное с этим усложнение технологии почти всегда окупаются конечным повышением эффективности проекта. В других — он лишь позволяет создать образ идеальной конструкции для оценки экономичности к обоснованию применения того или иного материала и конструкции.
При исследовании наилучших параметров необходимо прежде всего установить показатель критерия оптимальности. Удобно за основу сравнения принять коэффициент эффективности конструкции по массе, который определяет, какую долю составляет масса рассматриваемой конструкции Gweu.KOa °т массы однотипной простейшей GnP0CI:
Для оболочек, работающих на устойчивость, за простейшую систему принимаем неподкрепленную гладкую оболочку. Тогда для вафельных и трехслойных оболочек.

Назначение материалов является важным процессом в создании конструкций, лимитированных по массе, так как правильный их выбор может существенно улучшить характеристики изделия и экономичность. При этом действуют ограничивающие требования по коррозионной стойкости, теплостойкости и т. п. Приходится учитывать также стоимость, наличие материалов и их технологические свойства.
В последние годы широкое распространение получили неметаллические композиционные материалы (КМ). Высокая удельная прочность и жесткость, а также технологичность обеспечивают в ряде случаев существенные преимущества по сравнению с традиционными металлическими материалами. Среди отличительных особенностей проектирования и создания изделий из КМ [2, 4...6, 8] отметим следующие.
1. Неотъемлемой частью проектирования является конструирование материала — определение рациональных структур многослойного пакета и разработка технологического процесса изготовления. Все эти стороны создания конструкций из армированных материалов взаимосвязаны и не могут рассматриваться изолированно.
2. Учитываются такие специфические свойства материала: «старениеэ, т. е. изменение механических характеристик во
времени. В. связи с этим создание КМ должно сопровождаться в течение длительного времени периодическими исследованиями в естественных условиях и сравнением результатов с полученными при ускоренных испытаниях;
сравнительно низкие модули упругости КМ. С учетом этого могут стать определяющими ограничения по деформативности, которые будут диктовать требования к выбору схем армирования и конструктивным формам;
сравнительно низкие теплоемкость, прочность на сдвиг и жесткость. Это ограничивает применение КМ для некоторых конструкций и условий.эксплуатации.
3. Благодаря высокой удельной прочности представляется несомненным эффективность использования КМ в конструкциях емкостей высокого давления.
4. Сложным является вопрос обеспечения геометрической точности узлов. Специфика заключается в том, что изделия получаются сразу в готовом виде, без механической обработки.

Коэффициент /Сенат показывает, какую долю составляет масса оболочки из рассматриваемого материала от массы стальной детали при одинаковой их несущей способности. Значения /Сом»т. приведенные в табл. 2, могут учитываться в комплексных задачах. Ими можно пользоваться при рассмотрении однослойных гладких, вафельных, а также трехслойных оболочек (см. рис. 4).
Из металлических материалов наименьшей массой (при одинаковых конструкциях стенки) обладают оболочки из бериллиевых j сплавов, затем идут магниевые, алюминиевые и наименее выгодными оказываются стальные конструкции. Низкие значения предела текучести могут явиться серьезным ограничением для приме- , нения алюминиевых, магниевых и бериллиевых сплавов. Из неметаллических конструкций наибольшую массу имеют стекло-пластиковые оболочки, затем идут органопластиковые, бороплас-тиковые и углепластиковые. Необходимо отметить, что наилучшими показателями совершенства в сравнении со всеми металлическими и КМ обладают бериллиевые сплавы.
Бериллий обладает уникальным сочетанием лучших показателей физических н механических свойств. По удельной прочности, теплоемкости а жаропрочности он также превосходит все другие металлы. Американские специалисты относят его к числу выдающихся аэрокосмнческнх материалов. Однако применение берил- . лия в технике сдерживают три недостатка: хладноломкость, токсичность и высокая стоимость.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОСТИ ОБОЛОЧЕК, ПРОЕКТИРОВОЧНЫЕ МЕТОДЫ
Рассмотрим некоторые общие положения, относящиеся к оптимизации оболочек и определению конструкций минимальной массы. Наиболее просто задача решается для простейших конструкций, работающих на прочность или устойчивость, — не-подкрепленных гладких оболочек. После того как марка сплава установлена, сразу однозначно определяются все размеры. Для подкрепленных и трехслойных оболочек оптимальные параметры не устанавливаются однозначно из исходных уравнений состояния. Это объясняется появлением дополнительных ограничений, сложностью исходных уравнений и множеством подлежащих варьированию параметров.

Таким образом, в итоге задача представлена системой уравнений (14, 15) с двумя переменными X и Л. Решение может быть получено приближенно аналитическим путем или одним из методов математического программирования с помощью ЭВМ. Уравнение (14) описывает некоторую поверхность в трехмерном пространстве X, d н Ко, пересеченную цилиндрической поверхностью (15) с образующими, параллельными оси Ко (рис. 11). Задача состоит в том, чтобы на линии пересечения этих двух поверхностей найти точку условного минимума М функции (14). В результате определяются параметры Хопт и ^опт, соответствующие минимуму массы конструкции, а также значение коэффициента совершенства конструкции с этими параметрами
Ко паи — К (Аопт, ''опт)-
Понятие оптимальная конструкция употребляется и когда речь идет просто о конструкции минимальной массы, полученной с учетом конструктивно-технологических ограничений. В практическом смысле неправомерным также следует считать установление параметров оптимальной конструкции из уравнений для идеальных оболочек.
В данной книге под оптимальной понимается конструкция наименьшей массы, параметры которой получены из целевой функции с учетом единственного ограничения, описанного уравнением состояния, которое скорректировано по результатам экспериментальных исследований. Такая конструкция, определяемая точкой М, в ряде случаев может рассматриваться только как теоретически возможная. В реальном проектировании вступают в силу ограничения, которые часто существенно отодвигают значения принимаемых параметров от оптимальных в зону точки В. Такую конструкцию и соответствующие ей параметры будем называть конструкцией минимальной массы.'
Исследования для трехслойных оболочек показывают, что вблизи точки М целевая функция имеет весьма пологий характер. Это дает основание в реальном проектировании идти на некоторое отступление от экстремальных значений параметров. Поэтому параметры оптимальной оболочки устанавливались с допущением проигрыша массы, который принимался равным 6%. При таком незначительном отступлении от оптимальности достигается существенное уменьшение суммарной толщины пакета трехслойной стенки при ббльшей толщине несущих слоев, что целесообразно принять с точки зрения технологии изготовления. Таким образом, взамен математического экстремума М оптимальные конструкции можно представить диапазоном MN, в интервале которого, конструкцию будут называть оптимальной.

Серьезные затруднения могут возникнуть из-за сложности силовой схемы. В таком случае приходится выбирать приближенные расчетные схемы, вследствие чего расчет часто носит весьма условный характер и не выявляет действительно ослабленные сечеиия. Неработоспособность конструкции, не выявленная при проведении расчетов из-за приближенности, может обнаружиться на поздних стадиях, что приводит к огромным материальным потерям, связанным с доработкой изготовленных изделий. Из этого следует, что конструкция должна по возможности иметь простую силовую схему с явно выраженными в силовом отношении функциями ее узлов и деталей. Трудно рассчитываемая схема неизбежно приводит к неравнопрочной конструкции без достаточных гарантий работоспособности. Ее применение оправдывается только существенными преимуществами.
Подобные затруднения возникают также, когда нет готовых теоретических решений. Если теоретическое решение задачи не представляется возможным из-за сложности или недостатка времени, приходится пользоваться приближенными расчетными схемами, принимая в запас прочности грубые допущения. В итоге это также приводит к неравнопрочности и увеличению массы.
Иногда для расчета одного элемента выбирают несколько расчетных схем. Это делают в тех случаях, когда нет ясности о том, какие действительные граничные условия имеет реальная конструкция. Например, намечаемая расчетная схема представляется в виде двухопорной балки. Реальные условия закрепления имеют что-то среднее между защемлением и опиранием. В этом случае среднее сечение рассчитывают как для шарнирио опертой балки, а концевое (у опоры) — как для защемленной. При этом изгибающие моменты будут несколько завышены.
Выбор расчетной схемы зависит от цели расчета. Для летательных аппаратов большое значение имеют требования, предъявляемые по массе и габаритам. Чем крупнее узел, тем большее значение имеет точность расчета. Точный расчет дает большую экономию массы. Для узла с небольшими напряжениями при отсутствии ограничений по массе не имеет смысла создавать сложную расчетную схему.
Расчетная схема может быть принята также с целью определения перемещений. Достаточно точно они определяются для конструкций под равномерно-распределенными нагрузками. В большинстве же случаев при действии сосредоточенных сил определение перемещений представляет более сложную задачу, чем расчет напряжений, поэтому наиболее достоверно они могут быть определены экспериментально.

Проверочный расчет дает основание сделать заключение о прочности конструкции. Расчет может выявить недостаточную прочность некоторых сечений или неработоспособность силовой схемы. Последнее имеет место в случаях, когда проектирование проводилось без расчета.
ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ И КОНСТРУКТОРСКАЯ ОТРАБОТКА
. При освоении чертежно-технической документации отрабатывается технология изготовления. На данном этапе выявляются существенные для прочности новые технологические факторы, которые ранее не учитывались в расчетах. Для улучшения технологичности вводятся некоторые изменения. Технологические факторы могут существенно влиять на прочность. Сложность их учета состоит в том, что обычно невозможно дать количественную оценку и, следовательно, нельзя учесть расчетным путем. Например, в тонкостенных конструкциях, работающих на устойчивость, влияние качества изготовления наиболее достоверно учитывается по испытаниям натурных отсеков.
Конструкторская отработка изделия или отдельных его агрегатов проводится в реальных или близких к реальным условиях эксплуатации. При этом могут быть выявлены новые дополнительные случаи нагружения конструкции или отдельных деталей.
Выявленные в процессе отработки новые технологические факторы и условия эксплуатации могут потребовать корректировки расчетов и пересмотра расчетных случаев. При этом может возникнуть необходимость изменения конструкции, а иногда даже всей силовой схемы. Однако в ряде случаев целесообразен другой подход: исходя из фактической прочности разработанной конструкции ввести ограничения в технологические процессы, режимы эксплуатации, изменить конструкцию обслуживающих систем.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОТРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ
Направление исследований и объекты испытаний. Экспериментальные исследования проводятся с целью: проверки и уточнения новых теоретических зависимостей (обычно на модельных образцах); проверки принципиально новых конструкций (на моделях или упрощенных конструкциях, иногда — натурных образцах); отработки натурной конструкции.
Перед началом экспериментальных работ составляется план исследований с перечнем вопросов, подлежащих выяснению, разрабатывается документация на изготовление объектов испытаний. Экспериментальные исследования натурных конструкций обычно требуют больших материальных затрат, связанных с изготовлением исследуемого агрегата, а также специальной оснастки одноразового использования. Поэтому план эксперимента в целом, включая объем измерений, случаи нагружения и их последовательность, продумывается самым тщательным образом. Число предусматриваемых измерений должно дать исчерпывающе полный объем информации. Правильная формулировка вопросов, связанных с построением плана экспериментов, является наиболее сложной и ответственной задачей. В методических исследованиях с особой тщательностью должно быть исключено влияние посторонних и случайных факторов и уменьшено число исследуемых параметров.

Отличительной чертой экспериментальных исследований оболочек, работающих на устойчивость, является общий характер накапливаемых данных. Иными словами, каждый эксперимент, который, казалось бы, несет сугубо индивидуальные черты, в действительности обязательно имеет и элементы общего характера, особенности которых повторяются в других конструкциях. Это положение остается справедливым и тогда, когда используемые объекты обнаруживают и явно недопустимые недостатки. Накопленные опытные данные систематизируются по характерным признакам я обобщаются по группам. Этот процесс включает рассмотрение и обобщение всех предшествующих опытных данных, известных по публикациям. Таким образом, обобщение накопленных данных представляет собою диалектический процесс позиання действующих закономерностей общего характера (установление уровня к), а также частного (установление факторов, снижающих значения k). Итог обобщений имеет законченный характер, если он представлен в аналитической форме. Это достигается иа основе теоретических исследований влинния несовершенств н рациональной обработки опытных данных. Можно выделить два этапа позиання. На первом этапе проверяется н уточняется качественный характер действующих закономерностей, иа втором — иа основе обобщения накопленных эмпирических данных разрабатываются или уточняются рабочие методики.
Анализ полученных результатов. Проводится в следующей последовательности.
1. Сопоставляются замеренные напряжения с расчетными. Наиболее удобно такую оценку проводить по графическим построениям распределения замеренных и расчетных напряжений. Такая обработка позволяет, помимо всего, выявить и скорректировать ошибочные результаты измерений.
2. Определяются действующие силовые факторы и усилия в характерных сечениях, делается их сравнение с расчетными.
3. Оценивается достоверность каждого принятого в расчете допущения.
4. В результате обобщения всех вышеперечисленных данных дается качественная оценка правильности принятых расчетных схем и намечаются пути их уточнения. В ряде случаев намечаются новые расчетные схемы.
5. Уточняется расчетный метод, при необходимости определяются корректирующие расчетные коэффициенты.
6. Для сечений с недостаточной прочностью намечаются необходимые усиления, а для сечений, имеющих избыточные запасы, намечаются облегчения.
7. После принятия окончательного решения по изменению конструкции делается подробный расчет прочности по скорректированной методике.
Если изменения имеют принципиальный характер, проводятся повторные испытания для подтверждения правильности принятых решений. Любое экспериментальное исследование завершается изложением результатов, формулировкой выводов и рекомендаций. Анализ, систематизация и обобщение данных эксперимента — весьма ответственная часть исследований.