Анализ эффективности композитных структур для космических конструкций, способных запасать упругую энергию


Авторы

Полилов А. Н.1*, Татусь Н. А.1, Шиаюнг Т. 2**

1. Институт машиноведения РАН им.А.А.Благонравова, Малый Харитоньевский переулок, 4, Москва, 101990, Россия
2. Государственная ведущая лаборатория инженерии производственных систем, Сианьский университет , Сиань, Китай

*e-mail: polilovan@mail.ru
**e-mail: leoxyt@hotmail.com

Аннотация

В статье показана возможность создания профилированных композитных упругих элементов с постоянной площадью поперечного сечения, обеспечивающих за счет выбранных размеров трехкратное снижение массы при заданном прогибе и, следовательно, уровне запасаемой упругой энергии. Такой же эффект достигается с применением ветвления при изготовлении элементов конструкций, напечатанных непрерывными волокнами с сохранением суммарной площади сечения ветвей, что означает одинаковое число волокон в каждом поперечном сечении. В природе это требование равенства суммарной площади ветвей принято называть Правило Леонардо, и применительно к волокнистым композитам оно означает отсутствие перерезанных волокон, что важно для обеспечения высокой прочности. Ветвление может обеспечить дополнительные преимущества по сравнению с профилированной балкой с постоянной площадью сечений типа констэра, так как при ветвлении можно избежать значительной разориентации волокон и сохранить габариты, собирая «ветви» в пучок. Низкая энергоемкость 3D печати или пултрузии позволяет производить композитные упругие элементы непосредственно на орбите. Проведенное экспериментально-технологическое исследование подтвердило эффективность печати профилированных и ветвящихся упругих элементов в сравнении с традиционными композитными технологиями.

Ключевые слова:

композитный материал, композит, аддитивная технология, низкомодульный и высокопрочный стеклопластик, 3D принтер, равнопрочная листовая пружина, непрерывные волокна, накопленная упругая энергия, ветвящаяся и профилированная структура, правило Леонардо, космическая конструкция.

Список источников

  1. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. 2-е изд. М.: "Наука". - 1988. - 712с.
  2. Васильев В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. -512 с.
  3. Алфутов Н.А., Зиновьев П.А., Попов В.Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. Серия "Библиотека расчетчика". - М.: Машиностроение - 1984. - 264 с.
  4. Gordon. J.E. The New Science of Strong Materials. Or Why You Don't Fall through the Floor. Princeton university press - 2018. - 328 p. - ISBN 9780691180984. 
  5. Малинин Н.Н. Надёжность, прочность, красота. - М.: Academia. - 2016. - 288 с.
  6. Полилов А.Н. Экспериментальная механика композитов (2-е издание). - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2016. - 376 с.
  7. Gibson R. F. Principles of composite material mechanics. Third Edition. CRC Press Content. - 2011. - 683 p.
  8. Раскутин А.Е., Соколов И.И. Углепластики и стеклопластики нового поколения // Труды ВИАМ. - 2013. - № 4. - С. 9-15.
  9. Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композиционные материалы. Прочность и технология. - Долгопрудный. "Интеллект". - 2010. - 352 с.
  10. Пархиловский И.Г. Автомобильные листовые рессоры - М.: Машиностроение. - 1978. -232 с.
  11. Осипенко М.А. Контактная задача об изгибе двухлистовой рессоры с листами, искривленными по дуге окружности // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2013. - № 1. - С. 142-152.
  12. Русланцев А.Н., Думанский А.М., Алимов М.А. Модель напряженно-деформированного состояния криволинейной слоистой композитной балки. Труды МАИ. - 2017. - № 96. - С. 1-15.
  13. Боровков А.И., Мамчиц Д.В., Немов А.С., Новокшенов А.Д. Задачи моделирования и оптимизации панелей переменной жесткости и конструкций из слоистых композитов // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. - 2018. - № 1. - С. 113-122.
  14. Полилов А.Н., Татусь Н.А. Проектирование разветвляющихся или профилированных композитных элементов по аналогии со структурой кроны дерева // Проблемы машиностроения и надежности машин - 2017. - № 4. - С. 76-84.
  15. Сho H.R., Rowlands R.E. Optimizing fiber direction in perforated orthotropic media to reduce stress concentration// Journal of Composite Materials. - 2009. - Vol. 43. - № 10. - pp. 1177 - 1198.
  16. Spickenheuer A., Schulz M., Gliesche K., Heinrich G. Using tailored fibre placement technology for stress adapted design of composite structures// Plast. Rubber Compos. - Macromol. Eng. - 2008. - Vol. 37. - № 5. - pp. 227-232. 
  17. Wegst U.G.K., Ashby M.F. The structural efficiency of orthotropic stalks, stems and tubes// J. Mater. Sci. - 2007. - Vol. 42. - pp. 9005-9014.
  18. Schulgasser K., Witztum A. On the strength of herbaceous vascular plant stems//Annals of Botany. - 1997. - Vol. 80. - pp. 35-44.    
  19. Осипенко М.А., Няшин Ю.И. Об оптимизации упругого элемента протеза стопы // Российский журнал биомеханики. - 2011. - Т. 15. - № 2. - С. 16-23.
  20. Полилов А.Н., Татусь Н.А. Биомеханика прочности волокнистых композитов. - М.: ФИЗМАТЛИТ. - 2018. - 328 с. - ISBN 978-5-9221-1760-9.
  21. Eloy C. Leonardo’s rule, self-similarity and wind-induced stresses in trees // arXiv: 1105.2591v2 [physics. Bio-ph]. - 15 Nov. 2011.
  22. Minamino R., Tateno M. Tree branching: Leonardo da Vinci’s rule versus biomechanical models // Open Access available online. Plos one/ www. Plosone. Org, April 2014. - Vol. 9. - Issue 4. - e 9535. 
  23. Eloy C., Fournier M., Lacointe A., Moulia B. Wind loads and competition for light sculpt trees into self-similar structures // Nat. Commun. 2017.– 8 - 1014.
  24. Полилов А.Н., Татусь Н.А., Шабалин В.В. Особенности проектирования упругих элементов в виде профилированных композитных балок // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2011. - № 6. - С. 34-41.
  25. Полилов А.Н., Татусь Н.А., Плитов И.С. Оценка влияния разориентации волокон на жесткость и прочность профилированных композитных элементов // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2013. - № 5. - С. 58 - 67. 
  26. Черепанов Г.П. Равнопрочный тяжелый брус: решение проблемы Галилея // Физическая мезомеханика. - 2016. - Т. 19. - № 1. - С. 84-88.
  27. Власов Д.Д., Полилов А.Н., Склёмина О.Ю., Татусь Н.А. Нелинейные задачи изгиба (от балки Галилея до композитной панели). М.: Изд-во АСВ. 2024. 452 с. ISBN 978-54323-0522-0
  28. Даулбаев Ч.Б., Дмитриев Т.П., Султанов Ф.Р., Мансуров З.А., Алиев Е.Т. Получение трехмерных наноразмерных объектов на установке "3d-принтер + электроспиннинг" // Инженерно-физический журнал. - 2017. - Т. 90. - № 5. - С. 1175-1178.
  29. Григорьев С.Н., Красновский А.Н. Направления развития технологий изготовления изделий из полимерных композиционных материалов способом намотки // Вестник МГТУ Станкин. 2011. № 3. С. 95-98.
  30. Вешкин Е.А. Особенности безавтоклавного формования низкопористых ПКМ // Труды ВИАМ. - 2016. - № 2 (38). - С. 7-13.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2025

 Вход