Проектирование переходного отсека КА

- толщина внутреннего слоя;

- площадь сечения трёхслойной  оболочки;

- временное сопротивление материала  слоёв оболочки;

- критические напряжения потери  устойчивости слоя оболочки в  ячейке сотового наполнителя;

- диаметр описанной окружности  сотовой ячейки;

- наименьшая толщина слоя.  
Найдем  максимальные нормальные напряжения в слоях трехслойной оболочки:

Проверим соблюдение условий прочности трехслойной оболочки:

                  

Условия прочности трёхслойной оболочки соблюдаются.

Стыки неметаллических  панелей (Рисунок 4.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 Стыки неметаллических панелей

1,2-отсеки,3-наружная обшивка,4-заполнитель,5-внутренняя  обшивка,6-крепеж,7-накладка,8-шпангоут,9-накладка,10-шпангоут,11-вкладыш,12-крепеж,13-вкладыш,14-крепеж,15-накладка,16-крепеж,17,18-вкладыши.

 

 

Неметаллические, в основном трёхслойные, панели стыкуются  с помощью вкладышей из композиционных материалов или из металлов, которые  соединяются с оболочками и заполнителем склейкой. Некоторые стыки лишь технологические  и неразъемные. В разъемных стыках используется болтовое соединение. При  выборе размеров болтов необходимо учитывать  что:

• Материал вкладышей может подвергаться смятию по цилиндрической части болта, под его головкой или под шайбой;
• Болт должен быть подобран так, чтобы резьба не попадала в соединяемый пакет.

2.3 Подбор основных элементов трехслойного отсека-монокока

 

Трехслойной отсек-монокок состоит из следующих основных элементов: несущих слоев обшивки, промежуточного слоя обшивки, металлических накладок ( для крепления шпангоутов, стрингеров и люков), стрингеров, стыковочных и промежуточных шпангоутов, окантовок люков.

Эти элементы соединяются между собой заклепками. В целях обеспечения водонепроницаемости  заклепки устанавливаются на сыром  грунте, для уплотнения швов применяются  герметики.

Обшивки таких отсеков играют малую роли в восприятии усилий и нагрузок, а значит относительно мало теряют устойчивость в клетках каркаса из стрингеров и шпангоутов, но каркас дальше способен воспринимать дальнейшее увеличение нагрузки.  При этом часть обшивки непосредственно примыкающая к стрингеру устойчивости не теряет и сохранять способность воспринимать нагрузки.

Проектирование  отсека будем вести в следующей  последовательности: 
а) По таблицам 1,3,6 ( см. стр. 35-38  [1]) подбираем стрингеры, шпангоуты.

По таблице 5 ( см. стр. 36  [1]) подбираем сортамент стрингеров:

-габариты  листов оболочки: 1500x 3000 мм;

-толщина  слоёв: 

• несущий слой 0,65 мм;
• несущий слой 0,65 мм;
• промежуточный слой 14 мм;

- ПР 102-32: Н= В _стр= 0,025 м;

                      В = 0,025 м;

                      S= δ _стр = 0,0025 м;

                      d = 0,0065 м;

                      R = 0,0025 м;

                      R₁ = 0,00125 м;

                      R₂ =0,003 м;

                      I_х = 0,988 м⁴;

                      I_y = 0,701 м⁴;

                      F₀ = F_cтр= 0,0001348 м²;

б) Из условий  равноустойчивости стрингера определим расстояние между шпангоутами:

где В  _стр, δ _{стр ,} F_cтр – высота, толщина полки стрингера и площадь стрингера.

I_х – момент инерции стрингера относительно оси x( см. рис. 5).

Принимаем а _ш равным ближайшему проектному и длине отсека:

( из конструктивных соображений).

в) Определим  шаг стрингера по формуле:

из конструктивных соображений принимаем:

г) Из условий  равенства критических напряжений потери устойчивости стрингера и  обшивки , прилегающей к стрингеру, находим толщину обшивки по формуле:

• несущий слой 0,65 мм;
• несущий слой 0,65 мм;
• промежуточный слой 14 мм;

,

где t – шаг заклепок крепления стрингера к обшивке,

t=30-40 мм, принимаем:

t= 40 мм.

d₃- диаметр заклепки, обычно 3-4 мм, принимаем d₃= 4 мм. т. о.

 

Из  таблицы 3 подбираем ближайшую расчетному значению толщину обшивки:

 

д) после  окончания расчета и окончательного выбора всех параметров выполним поверочный расчет:

 

,

где 

 где

- редукционный коэффициент

 т. о.

 м².

 

 

 

Рисунок 5 Профиль стрингера

3 Проектирование конструктивных  элементов отсеков

3.1 Проектирование  стыковочных шпангоутов

Проектирование  стыковочных шпангоутов  будем  вести в следующей последовательности:

а) Задаем количество болтов в стыке отсека n_б

б) Определим  внутренний диаметр резьбы болта (шпильки) :

где - предел прочности материала болта.

диаметр расположения болтов,

Тогда

Из конструктивных соображений принимаем стандартный  диаметр болта( шпильки)

в) Определим  толщину полки шпангоута:

где 

- максимальная нагрузка, приходящаяся  на 1 болт.

Здесь D-диаметр расположения болтов,

- предел прочности материала  шпангоута.

B и l_b- определим из рисунка 6.

 

Рисунок 6.

принимаем (из конструктивных соображений) :

г) по ширине полки подбираем из таблицы профиль  стыковочного шпангоута.

ПКЗ-5: H=95 мм;

             В=45 мм;

             S=10 мм;

             S₁=8 мм;

             S₂=2,5 мм;

             R=4 мм;     

             R₁=2 мм;

             R₂=1 мм;

4 Расчет заклепочного соединения

Диаметр заклепки можем определить так:

 

где t=300 мм –шаг заклепки,

 

      

 Величины К, N, - подобраны из конструктивных и технологических соображений.

Т.о. диаметр заклепок:

Согласно  конструктивным представлениям и соображениям прочности заклепочного соединения имеет зависимости:

где t’- шаг заклепок

- диаметр заклепок

n- расстояние( см. рис. 7).

 

Рисунок 7.

Заклепочное соединение расчет которого приведен выше является наиболее тяжелонагруженным, поэтому в данном сечении устанавливаем, не опасаясь за прочность заклепочное соединение с аналогичными значениями.

 

5 Расчет клеевых соединений

В случае отсека с неметаллической оболочкой  стрингеры и промежуточные шпангоуты  связываются при помощи клеевых  соединений. Создание высококачественных синтетических клеев на базе фенольных, эпоксидных и других смол, а также фенолокаучуковых и других композиций явилось основанием для более широкого применения в машиностроении и приборостроении клеевых соединений. Их применяют в тех же конструкциях, что и сварные соединения, но преимущественно тонкостенных, выполненных из листового материала. Клеевые соединения применяют даже в ответственных машинах и сооружениях, например самолетах и мостах. В отличие от сварки склеиванием соединяют детали не только из однородных, но и разнородных материалов, например металлическую деталь с пластмассовой и т. д.

Технология  создания клеевых соединений состоит  из подготовки склеиваемых поверхностей деталей путем очистки их от пыли, обезжиривания и образования  шероховатости зачисткой наждачной  шкуркой или обработкой пескоструйным  аппаратом; нанесения клея на эти  поверхности и сборки деталей  соединения; выдержки соединения при  требуемых давлении и температуре.

 

 

 

а) нахлесточные.

 

б) стыковые по косому срезу.

 

в) с накладками .

Рис. 8 Наиболее распространенные виды клеевых соединений

Клеевые соединения, работающие на срез, по сравнению с  соединениями, работающими на отрыв, более прочны. Поэтому нахлёсточные клеевые соединения получили широкое распространение. Клеевое соединение, работающее на отрыв, рекомендуется конструировать так, чтобы отрыв был равномерным. При неравномерном отрыве для обеспечения надежности предусматривают еще и механическое крепление соединяемых деталей. При создании более прочных соединений применяют комбинированные соединения: клеесварные (с использованием точечной сварки), клеезаклепочные и клеерезьбовые.

Достоинства клеевых соединений:

1) возможности  соединения практически всех  конструкционных материалов в  любых сочетаниях, любой толщины и конфигурации;

2) герметичность; 

3) коррозийная стойкость соединений;

4) не создают концентрации напряжений,

5) не вызывают коробления деталей;

6) надёжно  работают при вибрационных нагрузках;

7) клеевые  соединения дешевле; 

8) клеевые  конструкции при прочих равных  условиях обладают меньшей массой.

Недостатки  клеевых соединений:

1) сравнительно  невысокая прочность, в особенности  при неравномерном отрыве;

2) относительно  невысокая долговечность некоторых клеев («старение»);

3) низкая теплостойкость;

4) необходимость  соблюдения мер по технике  безопасности (установка приточно-вытяжной вентиляции);

5) для большинства  соединений требуется нагрев, сжатие  и длительная выдержка соединяемых  деталей. Прочность клеевого соединения зависит от марки клея, материалов соединяемых деталей, качества подготовки склеиваемых поверхностей деталей, режима склеивания и толщины клеевого шва. Толщина шва, зависящая от вязкости клея и давления при склеивании соединяемых деталей, рекомендуется в пределах 0,05...0,15 мм.

,

где  - толщина склеиваемых соединений,

-допускаемое напряжение на растяжение этих деталей,

- допускаемое напряжение на срез клеевого шва,

При расчете  на прочность нахлесточного клеевого соединения (рис. 8, а) размер нахлестки может быть определен из условия равно прочности соединяемых деталей и клеевого шва:

-расчетное напряжение на срез  в клеевом шве.

 

 

 

 

Таблица 9 - Характеристики эпоксиполиамидного клея ПКС – 171

Марка клея	Прочность при разрыве, МПа		Относительное удли­нение, %		Модуль упругости Е-103, МПа
	293°К	77 °К	293°К	77 °К	293°К	77 °К
ПКС-171	35,0	109,4	695,0	2,4	0,98	4,6

 

Из  исследованных ранее клеев в  настоящее время выпускается  эпоксимети- лолполиамидная пленка ПКС-171 (ТУ 6-05-211-348-83) и предназначен для скле- вания и сварки полимерных пленок с металлами, композиционными материалами. Пленка ПКС-171 была опробована для соединения лейнера с силовой обо­лочкой. На основе эпоксикремнийорганических смол НПО «Платмасс» разработан ряд клеев, предназначенных для использования в криогенной технике. Клеи «Криокс» (OCT В6-06-213-91) и «Криосил» (ОСТ 92-0948-74) предназначены для склеивания металлов, композиционных материалов, полимерных пленок, пенопластов и керамики работающих при температурах от -296°С до +200°С. ЦНИИМ (г. С-Петербург) разработан клей КДС-23. Эти клеи могут быть использованы также для склеивания пенопластов и герметизации их поверхности. Наиболее сложной проблемой является соединение полимерного лейнера с металлическими деталями. Соединение разнородных материалов, имеющих большое различие KJITP, эксплуатирующихся в широком диапазоне температур является трудновыполнимой задачей. Учитывая, что полимерный лейнер содержит в своем составе фторопласт, который является химически инертным материалом, обеспечить надежное креп­ление возможно лишь после подготовки поверхности фторопласта. Традицион­ным способом активации поверхности фторопласта является его физическая об­работка т.е., «коронный разряд» или газоплазменная обработка.

Проведем расчет клеевого соединения:

6 Обоснование выбора технологии изготовления и испытаний

 

Технология  изготовления определяется конструкцией самого отсека и, в конечном итоге , требованиями предъявляемыми к РН.

Существенно повысить технологичность конструкции  позволит рациональное деление отсека на отдельные узлы и подборки.

В нашем  случае обшивка изготавливается  отдельно. Отдельно изготавливаются  стыковочные шпангоуты путем  фрезерования из монолитных тороидальных заготовок, полученных ковкой, и последующей  сваркой по двум кольцевым стыкам.

Гибкой  профили и сваркой по одному или  нескольким стыкам изготавливаются  промежуточные шпангоуты. Соединение деталей трехслойной оболочки толщиной 15,3 мм, целесообразно производить склейкой. Детали шпангоутов соединяются аргонно-дуговой сваркой плавящимся электродом. Возможно применение контактной стыковой сварки оплавлением , электрошлаковой, электронно-лучевой сварки.

Все сварочные  работы автоматизированы и проводятся в специальных приспособлениях , что повышает качество сварных швов и значительно уменьшает величину деформаций.