ВВС-ЛабРабота-12-Констр_КА
.pdfКурс "Введение с специальную технику"
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12
Конструирование топливного бака ракеты
В данной лабораторной работе мы ознакомимся с понятием конструирования компонентов (узлов и агрегатов) ракетно-космической техники и решим частную задачу конструирования топливного бака ракеты-носителя.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1) Задача конструирования ракетно-космической техники и её компонентов:
При разработке ракетно-космической техники наряду с решением проектных задач
(определение бортового состава РН или КА; определение проектных характеристик массы, габаритов, энергетики и т.п.; формирование компоновочной схемы …) важным является решение задачи конструирования РН или КА и их узлов и агрегатов.
Задача конструирования включает в себя следующие основные подзадачи:
выделение элементов конструкции РН или КА, разбиение конструкции до элементарных деталей
(например, для ракеты схема членения на элементы конструкции приведена на рис. 1);
Обтекатель |
Отсек бака окислителя |
|
|
Полезная нагрузка |
|
Приборный отсек |
4 |
|
|
|
5 |
|
1 |
Отсек бака окислителя |
2 |
|
3 |
|
|
|
|
|
Межбаковый отсек |
|
|
|
|
|
|
|
Отсек бака горючего |
Детали, которые входят в состав отсека бака |
|
|
|
|
|
|
окислителя: |
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Турбонасосный агрегат |
1 |
- Верхнее днище бака; |
|
|
|
|
|
2 |
- Верхний силовой соединительный шпангоут; |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Межбаковый отсек |
3 |
- Обечайки бака; |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
4 |
- Нижний силовой соединительный шпангоут; |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
5 |
- Нижнее днище бака. |
Двигательная установка
Рисунок 1 – Разделение общей компоновочной схемы одноступенчатой ракеты
выбор материалов (конструкционных материалов), из которых изготавливается каждая деталь узла конструкции (см. рис. 2);
|
|
Алюминиевые сплавы |
|
|
|
|
|
|
Деталь в узле |
|
Сплавы стали |
конструкции Композитные материалы
Пластмассы и т.д.
Рисунок 2 - Конструкционные материалы
1
Курс "Введение с специальную технику"
расчет минимально допустимых толщин или площадей в сечениях деталей, при которых деталь конструкции под действием расчетных нагрузок остается прочной и не разрушается (см. рис. 3);
I I
δ2
δ1 |
- толщина цилиндрической |
|
оболочки бака |
Sшп δ2 |
- толщина оболочки днища |
|
бака |
Sшп - площадь поперечного |
|
δ1 |
сечения шпангоута |
Рисунок 3 - Выбор толщин и площадей в сечениях детали конструкции
выбор реальных толщин или площадей в сечениях деталей при которых запас прочности как можно больше и масса детали как можно меньше ( 1реальн 1 , 2реальн 2 , Sшпреальн Sшп см. рис. 3);
выбор способа соединения деталей в узле конструкции (сварное соединение, клеевое соединение,
клёпанное соединение, болтовое соединение и т.д.) с учетом выполнения условия прочности и других требований к соединению;
составление требований к обработке поверхностей деталей конструкции при изготовлении их на производстве, требований к соединению деталей, подготовка конструкторской документации.
2) Расчет конструкционных характеристик топливного бака ракеты-носителя :
Рассмотрим задачу конструирования на примере расчета и выбора конструкторских характеристик несущего топливного бака ракеты-носителя.
Пример 1: В составе конструкции ракеты-носителя планируется использовать топливный бак в форме несущей цилиндрической оболочки (см. рис. 4). Конструкция бака испытывает
следующие нагрузки: |
продольную |
силовую |
эксплуатационную |
нагрузку |
NЭ 2000 КН; |
|||||
поперечную силовую эксплуатационную нагрузку QЭ 100 КН; |
изгибающий эксплуатационный |
|||||||||
момент Mизг 300 КН/м; |
внутреннее избыточное давление наддува бака pЭ |
3 атм. Известны |
||||||||
геометрические параметры бака: |
|
диаметр цилиндрической |
части |
бака |
|
D 4 м; радиус |
||||
сферических днищ бака Rсф 4 м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Mизг |
|
|
I |
I |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
δ2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rсф |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
L |
|
NЭ |
QЭ |
|
|
Sшп |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
D |
|
|
|
|
δ1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 4 - К решению примера 1 Для изготовления топливного бака планируется использовать сплав марки АМг6
(дюралюминиевый сплав), Характеристики сплава указаны в таблице 1.
2
Курс "Введение с специальную технику"
Коэффициент безопасности принимается равным f 2 . Считаем, что все детали топливного бака изготавливаются из одного конструкционного материала, и толщины оболочек выбираются одинаковой толщины ( 1 2 ).
Таблица 1 - Характеристики конструкционных материалов
Наименование |
|
|
|
АМг 6 |
|
|
|
|
|
Предел прочности материала, B ,МПа |
|
300 |
|
|
Критическое напряжение на сдвиг, кр , МПа |
200 |
|
||
|
|
|
|
|
Критическое напряжение на сжатие, кр |
, МПа |
200 |
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент ослабления сварного шва, |
f |
0,7 |
|
|
|
|
|
|
|
Плотность материала, кг/м3 |
|
2700 |
|
|
Ряд стандартных толщин листа из данного |
1; |
1,2; 1,5; |
1,8; 2; 2,5; 3; 3,5; |
|
конструкционного материала, мм |
|
4; |
5; 6; 7; |
8; 10 |
Требуется определить толщину стенки обечайки топливного бака ( 1 ) и при которой выполнится условие прочности.
Решение:
1) Под действием нагрузок в конструкции топливного бака возникают нормальные и касательные напряжения (см. рис. 5).
σЭсф |
σЭ1 |
- эксплуатационные нормальные в напряжения |
|||
|
|
σЭсф |
|
|
в цилиндрической оболочке бака в поперечном |
|
|
|
|
|
направлении; |
|
σЭ2 |
σЭ2 |
|||
|
- эксплуатационные нормальные в напряжения |
||||
σЭ1 |
σЭ1 |
|
|
в цилиндрической оболочке бака в продольном |
|
|
τЭ |
|
|
направлении; |
|
Э |
σ |
Э |
|
||
τ |
σЭ2 |
сф - эксплуатационные нормальные в напряжения |
|||
|
|
|
в оболочке днища бака сферической формы; |
||
|
|
|
τЭ - эксплуатационные касательные напряжения |
||
|
σЭшп |
|
|
в оболочке топливного бака |
|
|
σЭшп - эксплуатационные нормальные в напряжения |
||||
|
|
|
|||
|
σЭшп |
|
|
в шпангоуте; |
Рисунок 5 - Напряжения в конструкции топливного бака
2) Условием прочности (не разрушения) конструкции топливного бака будет соблюдение следующих неравенств в зависимости от вида возникшего разрушения:
- условие прочности при растяжении стенок обечаек бака описывается выражением (1):
|
f Э |
k |
c |
|
B |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
|||
|
|
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где Э |
- максимальное из нормальных напряжений в оболочке конструкции; |
f - коэффициент |
||||||||||||||||||
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
безопасности; kc - |
коэффициент ослабления в зоне сварного шва; |
B - |
предел прочности |
|||||||||||||||||
материала конструкции; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Э |
Э |
|
|
|
|
|
|
NЭ |
|
|
; |
|
(2) |
||||||
|
|
|
Mизг |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
max |
|
2 |
|
|
|
W |
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
где Э |
- напряжение в продольном направлении топливного бака; W |
- момент сопротивления |
||||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сечения бака; S - площадь поперечного сечения бака.
3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Курс "Введение с специальную технику" |
||||
|
|
Э |
pЭ D |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
W |
D2 |
1 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S D 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5) |
|||||||||||||
|
- условие прочности при сжатии стенок обечаек бака описывается выражением (6): |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
Э |
|
|
|
|
|
mЭ |
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1, если mЭ 2Э |
|
|
Э |
|
0 , |
|
|
|
|
|
|
|
(6) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
кр |
|
|
|
|
|
кр |
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
где Э |
|
- максимальное касательное напряжение ( |
Э |
|
|
|
4 QЭ |
|
). |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D 1 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
- условие прочности при растяжении стенок сферических днищ бака описывается |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
выражением (7): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
f |
Э k |
c |
|
B |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
сф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где Э |
|
- эксплуатационное напряжение в сферической оболочке днища бака ( Э |
|
pЭ Rсф |
). |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
сф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сф |
|
2 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
- условие прочности в шпангоуте топливного бака описывается выражением (8): |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
f |
|
Э |
|
k |
c |
|
B |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(8) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
шп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где Э |
|
|
|
|
pЭ D |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
- нормальные напряжения в шпангоуте ( Э |
|
|
|
4 R2сф D2 ). |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
шп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
шп |
|
8 |
Sшп |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
3) Выберем |
|
толщину обечаек топливного |
|
бака |
|
при использовании в качестве |
конструкционного материала сплава АМг6. Для этого в MS Excel составим таблицу исходных данных (см. рис. 6).
Рисунок 6 - Исходные данные для расчета
4
Курс "Введение с специальную технику"
Далее составим таблицу в которой зададим диапазон изменения толщины обечаек топливного бака 1 1min , 1max с шагом 1 0,1мм (см. рис. 7).
Рисунок 7 - Расчетная таблица |
|
|
|
|
|
|
|
Из таблицы видно, что при указанных исходных данных Э Э |
|
|
|
0 (см. рис. 7). |
|||
|
|
NЭ |
|
|
|||
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||
m |
2 |
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поэтому в качестве условия прочности выбираем выражение (1). Если построить график
зависимости y |
|
k |
|
B |
f Э |
, то можем заметить, |
что данная функция становиться |
1 |
1 |
C |
|
max |
|
|
|
положительной (то есть выполняется условие прочности) при 1 |
5,6 мм (см. рис. 8). |
Рисунок 8 - Подбор толщины стенки топливного бака
Соответственно, из таблицы 1 выбираем ближайшее большее значение стандартных толщин листов из сплава АМг6 - 1станд 6 мм.
5
Курс "Введение с специальную технику"
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Перечислите подзадачи конструирования элементов ракетно-космической техники.
2.Что такое конструкционные материалы?
3.Исходя из каких требований выбираются параметры деталей конструкции?
ЗАДАНИЕ
1) В составе конструкции ракеты-носителя планируется использовать топливный бак в форме несущей цилиндрической оболочки (см. рис. 9). Конструкция бака испытывает следующие нагрузки: продольную силовую эксплуатационную нагрузку NЭ ; поперечную силовую
эксплуатационную нагрузку QЭ ; изгибающий эксплуатационный момент Mизг ; внутреннее избыточное давление наддува бака pЭ . Известны геометрические параметры бака: диаметр цилиндрической части бака D ; радиус сферических днищ бака Rсф .
Mизг |
|
I |
I |
|
|
|
δ2 |
|
|
Rсф |
|
L |
NЭ |
QЭ |
Sшп |
|
|
||
|
|
|
|
|
D |
|
δ1 |
|
|
|
Рисунок 9 - К решению примера 1
Для изготовления топливного бака планируется использовать либо сплав марки АМг6 (дюралюминиевый сплав), либо сплав марки 30ХГСА (сплав стали). Характеристики указанных конструкционных материалов указаны в таблице 2.
Коэффициент безопасности принимается равным f 3. Таблица 2 - Характеристики конструкционных материалов
|
|
АМг 6 |
|
|
|
30ХГСА |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Предел прочности материала, B ,МПа |
|
300 |
|
1100 |
|
|
|
|
|
|
Критическое напряжение на сдвиг, кр , МПа |
200 |
|
800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Критическое напряжение на сжатие, кр |
, МПа |
200 |
|
850 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент ослабления сварного шва, |
f |
0,7 |
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Плотность материала, кг/м3 |
|
2700 |
|
7800 |
|
|
|
|
|
|
Ряд стандартных толщин листа из данного |
1; 1,2; 1,5; 1,8; 2; 2,5; |
|
1; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; |
|
||||||
конструкционного материала, мм |
|
3; 3,5; 4; 5; 6; 7; 8; 10 |
2,2; |
2,4; |
2,6; |
2,8; |
3,0; |
3,2; |
|
|
|
|
|
|
3,4; 3,6; ; 3,8; 4,0; 4,2; 4,4; |
|
|||||
|
|
|
|
4,6; |
4,8; |
5,0; |
5,2; |
5,4; |
5,6 ..... |
|
Требуется определить толщины стенок топливного бака ( 1 |
и 2 ) и площадь поперечного |
сечения шпангоута Sшп при которых общая масса конструкции минимальна M min .
Исходные данные для расчетов приведены в таблице 3.
6
Курс "Введение с специальную технику"
Таблица 3 – Исходные данные для расчетов
№ вар |
Продольная |
Поперечная |
Изгибающий |
Давление |
Диаметр |
Радиус |
|
нагрузка, |
нагрузка, |
момент, |
наддува, |
бака, м |
сферического |
|
КН |
КН |
КНм |
атм |
|
днища, м |
1 |
1000 |
200 |
200 |
3 |
3,0 |
6,0 |
2 |
2000 |
300 |
300 |
4 |
4,0 |
7,0 |
3 |
2200 |
400 |
250 |
5 |
3,6 |
8,0 |
4 |
2400 |
500 |
350 |
6 |
3,4 |
9,0 |
5 |
2600 |
600 |
450 |
7 |
2,5 |
12,0 |
6 |
3200 |
700 |
650 |
3 |
2,5 |
10,0 |
7 |
4300 |
500 |
200 |
4 |
2,8 |
6,0 |
8 |
4500 |
400 |
300 |
5 |
3,0 |
4,0 |
9 |
6500 |
300 |
400 |
6 |
4,0 |
6,0 |
10 |
7000 |
200 |
450 |
7 |
3,0 |
7,0 |
7