Спосіб виготовлення полегшених відсіків вафельної конструкції, що навантажуються локально

Реферат: Винахід належить до ракетної техніки, а саме до способів зниження ваги сухих відсіків вафельної конструкції, навантажених під час експлуатації осьовими зосередженими силами. Спосіб здійснюють двома етапами, на першому з яких визначають зони локального навантаження відсіку, причому люки виконують поза зазначеними зонами навантаження, а розміри чарунок та окантовок люків виконують виходячи з умови міцності конструкції, на другому ж етапі в локальних зонах навантаження відсіку залишають сектори підвищеної UA 112339 C2 (12) UA 112339 C2 жорсткості з початковими розмірами поздовжньо-кільцевого набору та стінок полотна в чарунках, а в сусідніх з ними ділянках відсіку зменшують фрезеруванням товщину поздовжніх ребер чарунок в 1,3-1,7 разу, стінки полотна в чарунках - у 1,6-2,0 разу, а окантовок люків - у 1,2-1,5 разу порівняно з початковими розмірами. Технічний результат полягає у зниженні ваги конструкції на до 20 %. UA 112339 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до ракетної техніки, а конкретно до способів зниження ваги сухих відсіків вафельної конструкції, навантажених під час експлуатації осьовими зосередженими силами. Відомий спосіб вагової оптимізації вафельних оболонок, який полягає у виготовленні чарунок з мінімальними допусками щодо відхилень товщини обшиття та ребер (книга А.К. Линник; Конструирование корпусов жидкостных баллистических ракет, Днепропетровск, ДГУ, 1994, с. 65, 66). Недоліком способу є складність технологічного забезпечення виготовлення вафельних оболонок. Водночас зазначене рішення разом з подорожчанням технології не забезпечує раціонального зниження ваги для відсіків, навантажених локальними силами. Відомий також спосіб зниження ваги вафельних оболонок, оснований на раціональному (оптимальному) підборі розмірів і розташування підкріпного поздовжньо-кільцевого набору під час виготовлення (книга В.Т. Лизин, В.А. Пяткин; Проектирование тонкостенных конструкций, Москва, Машиностроение, 1985, с. 14, 93). Зниження ваги за цим методом забезпечують за рахунок змінення кроку поздовжніх і кільцевих ребер за постійної товщини обшивки залежно від діючого навантаження. Цей метод виготовлення дозволяє отримати економію ваги оболонок до 10 %. Недоліком його є складність практичної реалізації технології внаслідок великого обсягу фрезерних операцій, здійснюваних вручну. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого способу є спосіб виготовлення вафельних оболонок відсіків ракет (книга Е.А. Джур, С.И. Вдовин и др.; Технология производства космических ракет, Днепропетровск, ДГУ, 1992, с. 34, 35), який включає вальцювання панелей у вигляді півобичайок, зварювання півобичайок між собою, фрезерування в обичайці вафельних чарунок, вирізання отворів, підкріплених окантовками, і приварювання торцевих шпангоутів. Зниження ваги у цьому рішенні досягають за рахунок виготовлення елементів конструкції підкріпної стінки, враховуючи низьку чутливість силового набору щодо несучої здатності до його конструктивно-технологічних недосконалостей. Недолік цієї технології полягає в тому, що оболонки, навантажені локально, виготовлювані з рівномірною жорсткістю у кожному поздовжньому перерізі, а також люки, що ослабляють конструкцію, було виконано зі збільшеним підкріпленням, що супроводжувалося невиправданим завищенням ваги конструкції. Задачею винаходу є підвищення конструктивних та технологічних характеристик вафельних відсіків ракет, навантажених локально, внаслідок розділення вафельної оболонки за діючими навантаженнями на несучі ділянки та ділянки між ними, менш навантажені, які можливо "полегшити" за рахунок зменшення товщин ребер і полотна в чарунках додатковим фрезеруванням, а люки розмістити в менш навантажених зонах. Технічний результат полягає у зниженні ваги відсіків на 15-20 %. Задача вирішена за рахунок використання таких відомих істотних ознак - фрезерування у гладкій обичайці відсіку вафельних чарунок з поздовжньо-кільцевими ребрами та вирізання підкріплених окантовками люків, виконаних за умови міцності конструкції, а також таких відмітних істотних ознак - фрезерування чарунок і окантовок люків проводять двома етапами, на першому етапі визначають зони локального навантаження відсіку, люки виконують поза зазначеними зонами навантаження, а розміри чарунок і окантовок люків виконують з умови міцності та стійкості конструкції під час рівномірно розподіленого навантаження, а на другому етапі в локальних зонах навантаження відсіку залишають сектори підвищеної жорсткості з початковими розмірами ребер і стінки полотна в чарунках, а в сусідніх з ними ділянках відсіку зменшують товщину поздовжніх ребер чарунок у 1,3-1,7 разу, стінки полотна в чарунках - у 1,62,0 разу, а окантовок люків - у 1,2-1,5 разу порівняно з початковими розмірами. Крім того, сектори підвищеної жорсткості виконують у зонах навантаження відсіку площею від 6 до 10 % кожен щодо його загальної площі, їх поверхні при цьому розділяють за висотою на дві одинакові ділянки, у верхній з яких зменшують фрезеруванням товщину стінки полотна в чарунках у 1,21,4 разу порівняно з товщиною стінки полотна в чарунках нижніх ділянок. Виконання на відсіку підсилених ділянок у вигляді секторів підвищеної жорсткості площею від 6 до 10 % кожен щодо загальної площі поверхні відсіку (по довжині зазначені сектори в кільцевому напрямку містять від 6 до 10 прилеглих одна до одної вафельних чарунок), а також дороблення фрезеруванням елементів конструкції на ділянках, розташованих поза локальними зонами навантаження, зі зменшенням товщин поздовжніх ребер чарунок у 1,3-1,7 разу, стінки полотна в чарунках - у 1,6-2,0 разу, окантовок люків - у 1,2-1,5 разу, а товщини стінки полотна в чарунках, розташованих у верхній, менш навантаженій, частині секторів підвищеної жорсткості, у 1,2-1,4 разу порівняно з нижньою, дозволяє на 15-20 % знизити вагу відсіку без зниження міцності та стійкості конструкції. Винахід пояснено рисунками, на яких зображено: 1 UA 112339 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 - на Фіг. 1 - хвостовий відсік (ХВ) ракети; - на Фіг. 2 - вигляд зверху на ХВ; - на Фіг. 3 - розгортка ХВ зменшеної ваги з виділеними літерами Y і Z ділянками (секторами підвищеної жорсткості) дії локального навантаження над стоянковими кронштейнами; - на Фіг. 4 - переріз конструкції ХВ у поздовжньому напрямку; - на Фіг. 5 - переріз конструкцію люка (на рис. 2 окантовку люка позначено літерою X); - на Фіг. 6 - конструкція вафельної обичайки ХВ; - на Фіг. 7 - схема розподілу критичних напружень в зоні та поза зоною дії локального навантаження; - на Фіг. 8 - змінення погонних стискальних зусиль у поздовжніх перерізах ХВ регулярної конструкції; - на Фіг. 9 - змінення погонних стискальних зусиль у поздовжніх перерізах нижнього півкорпусу ХВ зменшеної ваги; - на Фіг. 10 - змінення погонних стискальних зусиль у поздовжніх перерізах верхнього півкорпусу ХВ зменшеної ваги. Хвостовий відсік 1, складається з двох півкорпусів, зварених між собою, нижнього 2 і верхнього 3. Кожний півкорпус складається з обичайки вафельної конструкції, нижнього 4 і верхнього 5 торцевих шпангоутів зі стикувальними отворами. Обичайки півкорпусів виготовлено із закатаних у радіус і зварених між собою гладких панелей, поздовжні зварні шви яких у складеному відсіку розташовано у шаховому порядку. Верхній 5 шпангоут прикріплено до паливного відсіку (не показано), а нижній 4, оснащений чотирма рівномірно розташованими стоянковими кронштейнами 6, прикріплено за допомогою піроболтів до пускового столу (не показано) наземного устаткування. Кожен кронштейн 6 закріплено до нижнього торця хвостового відсіку. Обичайки відсіку 1 містять основну стінку 7 (для зварювання), стінку 8 полотна в чарунках, кільцеві 9 і поздовжні 10 ребра підкріплення, виконані фрезеруванням у гладкій закатаній панелі. В обичайках відсіку 1, крім того, виконано люки 11, підкріплені окантовками 12. Ділянки відсіку у вигляді секторів 13, розташовані під стоянковими кронштейнами 6, мають найбільшу площу поздовжнього перерізу і функціонально є опорами, що сприймають локальні навантаження під час стоянки ракети на пусковому столі. Довжину кожного сектора 13 підвищеної жорсткості в кільцевому напрямку вибрано відповідно до діючих навантажень, і вона відповідає довжині Lo стоянкового кронштейна 6. Над кронштейном 6 в середньому розміщено по вісім прилеглих одна до одної підсилених чарунок, виконаних на першому етапі фрезерування, сумарно вони займають приблизно 35 % площі відсіку. Ділянки 14, розташовані між секторами 13, сумарно становлять приблизно 65 % загальної площі. Зважаючи на менші навантаження, які діють на цих ділянках, порівняно з ділянками 13, їх виконано зі зменшеною площею поздовжнього перерізу. На підставі чого товщину стінки 8 полотна на ділянках 14, зменшено фрезеруванням чарунок в 1,6-2,0 разу, а товщину поздовжніх ребер 10 зменшено в 1,3-1,7 разу порівняно з початковими товщинами стінок і ребер. Крім того, товщину поздовжнього перерізу окантовок 12 люків 11, розташованих у зонах 14 відсіку, зменшено в 1,2-1,5 разу, також зменшено в 1,2-1,4 разу товщину стінок 8 всередині секторів 13, розташованих у верхньому, менш навантаженому, півкорпусі 3, порівняно з товщинами стінки 8 секторів 13 нижнього 2 півкорпусу. Можливість зниження ваги відсіку вафельної конструкції за рахунок зменшення товщин ребер, стінок полотна в чарунках і окантовок люків фрезеруванням із забезпеченням його міцності підтверджено порівнянням результатів розрахунків інженерної методики, яку застосовують на етапі проектування, і методу кінцево-елементного визначення напруженодеформованого стану конструкції. Розподіл напружень в зоні і поза зоною дії локального навантаження, наведено на рис. 7 і у табл. 1. 2 UA 112339 C2 Таблиця 1 Критичні напруження, Nкp, кгс/см/см, за висотою L корпусу ХВ Позначення поясів у зонах секторів у зоні мінімальних напружень у відсіку у перехідних зонах на підвищеної жорсткості на навантажень на на висоті L довжині від 0,2 до 0,3 L0 довжині L0 довжині 1,5 L0 Нижній 1 1,0 Nкp (1600) 0,28 Nкp 0,14 Nкp Середній 2 0,6 Nкp 0,30 Nкp 0,14 Nкp Верхній 3 0,38 Nкp 0,31 Nкp 0,14 Nкp 5 10 15 20 25 30 35 Відповідно до даних табл. 1 максимальні значення напружень Nкp (зона 1) спостерігаються в нижній частині відсіку над стоянковими кронштейнами 6. Довжина цих ділянок (секторів 13) відповідає довжині L0 кронштейна, а висота - 1/3 L висоти L відсіку. У середній частині відсіку над кронштейном (зона 2 середніх навантажень) значення навантажень становить 0,6 Nкp, а у верхній (зона 3 понижених навантажень) 0,38 Nкp на висоті 1/3 L кожен. У перехідних зонах (4) завдовжки від 0,2 до 0,3 L0, розташованих по обидва боки від зон максимальних напружень, діючі навантаження становлять приблизно 0,3 Nкp та істотно не відрізняються від напружень у зонах (5 мінімальних навантажень), які становлять 0,14 Nкp. Тому товщини елементів конструкції, розташовані поза зоною дії локальних навантажень, може бути зменшено з забезпеченням міцності конструкції. Оцінку стійкості хвостового відсіку зменшеної ваги було проведено на підставі визначення коефіцієнта запасу стійкості (η), який визначають як частку критичного погонного зусилля і погонного зусилля, що діє для випадку розрахункових навантажень під час стоянки. η(X, φ)=Nкp(X, φ)/ N(X, φ), де η(Х, φ) - коефіцієнт запасу стійкості в зоні навантаження корпусу з координатами X, φ. (Конструкція має достатній запас стійкості, якщо η(Х, φ)1); N(X, φ) - значення поздовжнього погонного зусилля, що відповідає розрахунковому навантаженню, що діє на ХВ, і визначається методом кінцево-елементного моделювання напружено-деформованого стану конструкції; Nкp(X, φ) - критичне значення поздовжнього погонного зусилля; X - поздовжня координата, відлічувана від нижнього торця ХВ; φ - кутова координата, відлічувана від осі стоянкового кронштейна. Розподіл погонних стискальних зусиль у ХВ регулярної конструкції під час його навантаження поздовжньою силою через чотири стоянкових кронштейни в кільцевому напрямку 32° і значення критичного погонного зусилля під час рівномірного стискання показано на рисунку 8. Розподіл погонних стискальних зусиль в нижньому та верхньому півкорпусах ХВ зменшеної ваги та значення критичних погонних зусиль в різних зонах навантаження показано на рисунках 9 і 10. Кожен з двох півкорпусів відсіку має ділянки підвищеної жорсткості над стоянковими кронштейнами і ділянки зменшених навантажень між ними. Силова схема підсиленої зони нижнього півкорпусу відсіку при цьому не відрізняється від силової схеми регулярної конструкції. Розрахункові товщини елементів конструкцій ХВ регулярної та зменшеної ваги: стінок чарунок (а), поздовжніх ребер жорсткості (b), окантовок люків (с), кінцевих ділянок стиків обичайок під зварювання (k), і розрахункові значення коефіцієнтів запасу міцності η, що їм відповідають, наведено в табл. 2. 3 UA 112339 C2 Таблиця 2 Товщина стінок Поздовжніх Зона навантаження Закон цівок чарунок ребер (k), мм (а), мм (b), мм Вихідна (регулярна) конструкція над 5,0 8,5 13,0 Обичайка опорою нижня поза 5,0 8,5 13,0 опорою над 5,0 8,5 13,0 Обичайка опорою верхня поза 5,0 8,5 13,0 опорою Полегшена конструкція над 5,0 8,5 13,0 Обичайка опорою нижня поза 2,7 8,5 13,0 опорою над 4,0 6,0 11,0 Обичайка опорою верхня поза 2,7 6,0 11,0 опорою 5 10 15 окантовок (с), мм Nкр, кгс/см N, кгс/см η 1680 1650 1,02 13,0 1680 790 2,12 1680 850 1,97 13,0 1680 720 2,33 1680 1680 1,0 9,5 850 830 1,02 1170 1100 1,06 9,5 740 730 1,01 Порівняння напруженого-деформованого стану конструкції ХВ регулярної та полегшеної показало, що введення в конструкцію відсіку зон зі зменшеними товщинами елементів підкріплення не спричинило істотного збільшення максимальних погонних зусиль у навантаженій зоні. Міцність і стійкість такого полегшеного ХВ, ураховуючи вплив на нього всіх видів експлуатаційних навантажень, забезпечується за значно меншої ваги конструкції. При виготовленні алюмінієвого ХВ вафельної конструкції діаметром 3,9 м, заввишки 3,2 м і початковою вагою 1100 кг зменшення ваги відсіку після другого етапу фрезерування становило 220 кг, що відповідає 20 % економії ваги. Відповідно до цієї пропозиції вихідну (збільшену) площу підкріплення відсіку у вигляді секторів підвищеної жорсткості виконують тільки в обмежених зонах локального навантаження, сумарна площа яких становить приблизно 35 % загальної площі. Зменшення додатковим фрезеруванням на площі 65 % товщин елементів конструкції - стінок полотна в чарунках, поздовжніх ребер і люків окантовок, розташованих поза зоною локального навантаження, а також стінок полотна в чарунках, розташованих у верхній частині секторів підвищеної жорсткості, дозволяє до 20 % знизити вагу відсіку і при цьому мінімізувати затрати на зниження ваги конструкції, зводячи їх переважно до коригування комп'ютерної програми для керування станком. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 1. Спосіб виготовлення полегшених ракетних відсіків вафельної конструкції, що навантажуються локально, який включає фрезерування у гладкій обичайці відсіку вафельних чарунок з поздовжньо-кільцевими ребрами та вирізання люків, підкріплених окантовками, розміри яких виконано виходячи з умови міцності конструкції під час рівномірно розподіленого навантаження, який відрізняється тим, що фрезерування чарунок і окантовок люків проводять двома етапами, причому на першому етапі визначають зони локального навантаження відсіку, люки виконують поза зазначеними зонами навантаження, а розміри чарунок і окантовок люків виконують виходячи з умови міцності та стійкості конструкції під час рівномірно розподіленого навантаження, на другому ж етапі в локальних зонах навантаження відсіку залишають сектори підвищеної жорсткості з початковими розмірами ребер і стінки полотна в чарунках, а в сусідніх з ними ділянках відсіку зменшують товщину поздовжніх ребер чарунок в 1,3-1,7 разу, стінки полотна в чарунках - у 1,6-2,0 разу, а окантовок люків - у 1,2-1,5 разу порівняно з початковими розмірами. 4 UA 112339 C2 5 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що сектори підвищеної жорсткості виконують у зонах навантаження відсіку площею від 6 до 10 % кожен від загальної площі його поверхні. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що поверхні секторів підвищеної жорсткості розділяють за висотою на дві однакові ділянки, у верхній з яких зменшують фрезеруванням товщину стінки полотна в чарунках у 1,2-1,4 разу порівняно з товщиною стінки полотна в чарунках нижньої ділянки. 5 UA 112339 C2 6 UA 112339 C2 7 UA 112339 C2 8 UA 112339 C2 9 UA 112339 C2 10 UA 112339 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11