cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2022-25-4-70-82caht-2044Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРешение задачи оптимизации в целях проектирования сетчатой структуры из полимерных композиционных материалов с наружной обшивкойSolution of the optimization problem for the purpose of designing a lattice polymer composite structure with the outer skinСклезневА. А.SkleznevA. A.

Андрей Анатольевич Склезнев, кандидат технических наук, доцент

Институт 11

кафедра технологии композиционных материалов, конструкций и микросистем 

Москва

Andrey A. Skleznev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Institute 11

Technology of the Composite Materials, Constructions and Microsystems Chair

Moscow

andrey@skleznev.ruЧервяковА. А.ChervyakovA. A.

Александр Анатольевич Червяков, кандидат технических наук, доцент

Институт 11

кафедра технологии композиционных материалов, конструкций и микросистем

Москва

Alexander A. Chervyakov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Institute 11

Technology of the Composite Materials, Constructions and Microsystems Chair

Moscow

matinamylo@yandex.ruАгаповИ. Г.AgapovI. G.

Илья Георгиевич Агапов , кандидат технических наук, доцент

Институт 11

кафедра технологии композиционных материалов, конструкций и микросистем

Москва

Ilya G. Agapov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Institute 11

Technology of the Composite Materials, Constructions and Microsystems Chair

Moscow

i.agapov54@inbox.ruМосковский авиационный институт (НИУ)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation2022060920222547082Copyright © Склезнев А.А., Червяков А.А., Агапов И.Г., 20222022Склезнев А.А., Червяков А.А., Агапов И.Г.Skleznev A.A., Chervyakov A.A., Agapov I.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2044

   В последние годы продолжает возрастать актуальность задачи оптимального проектирования силовых элементов ракет-носителей. Одной из распространенных конструктивно-силовых схем является анизогридная сетчатая конструкция, выполненная из полимерных композиционных материалов. Такие конструкции серийно изготавливаются и используются в качестве силовых корпусов космических аппаратов или отсеков фюзеляжей атмосферных летательных аппаратов перспективных конструктивно-силовых схем. До настоящего момента вес и параметры применяемых в изделиях ракетно-космической техники обшивок не учитывались при решении задач оптимального проектирования, а задача проектирования сводилась к оптимизации сетчатых структур, лишенных обшивки. Вместе с этим само применение обшивок как для атмосферных летательных аппаратов, так и для силовых элементов космического назначения является довольно распространенной практикой. Однако неучитывание наличия обшивки при проектировании сетчатой силовой оболочки может приводить к значительному увеличению массы конструкции с обшивкой при необходимости ее использования. В работе приведена методика оптимального проектирования сетчатых конструкций без кольцевых ребер, но с наличием металлической обшивки, что позволяет значительно снизить вес таких конструкций, увеличивая массовую эффективность изделий из полимерных композиционных материалов, применяемых в летательных аппаратах. Приводится подтверждение результатов, полученных при помощи аналитического решения, и результатов численного эксперимента, полученных моделированием методом конечных элементов. Ожидается, что использование предлагаемого подхода за счет учета вклада работы обшивки может привести к экономии массы оболочечной конструкции до 30 % по сравнению с методиками оптимального проектирования сетчатых анизогридных структур, использующимися в настоящее время и не учитывающими наличие обшивки при проектировании изделия.

   In recent years, the urgency of the problem of launch vehicles load-bearing elements optimal design has continued to grow. One of the widespread structural designs is an anisogrid lattice structure made of polymer composite materials. Such structures are mass-produced and used as load-bearing bodies of space vehicles or fuselage compartments of atmospheric aircraft of advanced structural design. Until now, the weight and parameters of the skins used in products of rocket and space equipment have not been considered when solving optimal design problems, and the design problem has been reduced to optimizing lattice structures without skin. At the same time, the very use of skins for both atmospheric aircraft and load-bearing elements for space applications is a fairly common practice. However, not considering the availability of skin when designing a lattice load-bearing shell can lead to a significant increase in the mass of the structure with skin when applicable. The paper presents a method for the optimal design of lattice structures without ring ribs, but with the metal skin available, which can significantly reduce the weight of such structures, increasing the mass efficiency of products made of polymer composite materials used in aircraft. A confirmation of the results obtained with the help of an analytical solution and the results of a numerical experiment, obtained by modeling using the finite element method, is given. It is expected that the use of the proposed approach by considering the contribution of the skin response can lead to mass saving of the shell anisogrid structure up to 30 % compared with the methods of optimal design of lattice anisogrid structures currently used without considering the availability of skin in the design of the product.

КМПКМоптимальное проектированиесетчатая структураанизогридобшивкаоболочкаCMPCMoptimal designlattice structureanisogridskinshellReferencesVasiliev V. V., Morozov E. V. Advanced mechanics of composite materials and structures. 4th ed. USA: Elsevier, 2018. 856 p. DOI: 10.1016/C2016-0-04497-2Vasiliev, V. V. & Morozov, E. V. (2018). Advanced mechanics of composite materials and structures. 4th ed. Elsevier, 856 p. DOI: 10.1016/C2016-0-04497-2Giusto G., Totaro G., Spena P. et al. Composite grid structure technology for space applications // Materialstoday: proceedings. 2021. Vol. 31, part 1. Pp. 332–340. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.05.754Giusto G., Totaro G., Spena P. et al. (2021). Composite grid structure technology for space applications. Materialstoday: proceedings, vol. 31, part 1, pp. 332–340. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.05.754Васильев В. В. Перспективы применения сетчатых композитных конструкций в гражданской авиации / В. В. Васильев, А. Ф. Разин // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. – 2016. – № 11–12. – С. 3–12.Vasiliev, V. V. & Razin, A. F. (2016). The outlook for the application of composite lattice structures to commercial aircraft frames. All-Russian Scientific-Technical Journal “Polyot” (“Flight”), no. 11–12, pp. 3–12. (in Russian)Бокучава П. Н. Численное исследование влияния расположения кольцевых ребер на массу композитной сетчатой цилиндрической оболочки / П. Н. Бокучава, В. А. Евстафьев, В. А. Бабук // Конструкции из композиционных материалов. – 2020. – № 1 (157). – С. 3–5.Bokuchava, P. N., Evstafyev, V. A. & Babuk, V. A. (2020). Numerical analysis of the influence of the circular ribs location on lattice cylindrical shells composite mass. Composite Materials Constructions, no. 1 (157), pp. 3–5. (in Russian)Разин А. Ф. Метод моделирования теплового состояния отсеков из сетчатых композитных оболочек для изделий ракетно-космической техники / А. Ф. Разин, М. Н. Слитков, А. Н. Гаращенко // Вопросы оборонной техники. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. – 2018. – № 2 (189). – С. 28–34.Razin, A. F., Slitkov, M. N. & Garashchenko, A. N. (2018). [Method for modeling the thermal state of compartments made of grid composite shells for rocket and space technology products]. Voprosy oboronnoy tekhniki. Kompozitsionnyye nemetallicheskiye materialy v mashinostroyenii, no. 2 (189), pp. 28–34. (in Russian)Коробейников А. Г. Оптимизация технологии намотки сетчатых оболочек с использованием многоленточных раскладывающих устройств / А. Г. Коробейников, А. В. Барынин, А. В. Жгутов // Вопросы оборонной техники. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. – 2018. – № 2 (189). – C. 17–21.Korobejnikov, A. G., Barynin, A. V. & Zhgutov, A. V. (2018). [Optimization of mesh winding technology using multi-tape unfolding devices]. Voprosy oboronnoy tekhniki. Kompozitsionnyye nemetallicheskiye materialy v mashinostroyenii, no. 2 (189), pp. 17–21. (in Russian)Sorrentino L. Design and manufacturing of an isogrid structure in composite material: Numerical and experimental results / L. Sorrentino, M. Marchetti, C. Bellini, A. Delfini, M. Albano // Composite Structures. 2016. Vol. 143. Pp. 189–201. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.02.043Sorrentino, L., Marchetti, M., Bellini, C., Delfini, A. & Albano, M. (2016). Design and manufacturing of an isogrid structure in composite material: Numerical and experimental results. Composite Structures, vol. 143, pp. 189–201. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.02.043Toh W., Yap Y. L., Koneru R. ety al. An investigation on internal lightweight load bearing structures [Электронный ресурс] // International Journal of Computational Materials Science and Engineering (IJCMSE). 2018. Vol. 07, no. 04. ID: 1850025. 11 p. DOI: 10.1142/S2047684118500252 (дата обращения: 28. 11. 2021).Toh, W., Yap, Y. L., Koneru, R. et al. (2018). An investigation on internal lightweight load bearing structures. International Journal of Computational Materials Science and Engineering (IJCMSE), vol. 07, no. 04. ID: 1850025. 11 p. HYPERLINK "https://doi.org/10.1142/S2047684118500252" DOI: 10.1142/S2047684118500252 (accessed: 28. 11. 2021).Ding B. Axial force identification of space grid structural members using particle swarm optimization method / B. Ding, J. Liu, Z. Huang, X. Li, X. Wu, L. Cai [Электронный ресурс] // Journal of Building Engineering. 2020. Vol. 32. ID: 101674. DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101674 (дата обращения: 28. 11. 2021).Ding, B., Liu, J., Huang, Z., Li, X., Wu, X. & Cai, L. (2020). Axial force identification of space grid structural members using particle swarm optimization method. Journal of Building Engineering, vol. 32, ID: 101674. DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101674 (accessed: 28. 11. 2021).Krivoshapko S. N. Optimal shells of revolution and main optimizations // Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2019. Vol. 15, no. 3. Pp. 201–209. DOI: 10.22363/1815-5235-2019-15-3-201-209Krivoshapko, S. N. (2019). Optimal shells of revolution and main optimizations. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, vol. 15, no. 3, pp. 201–209. DOI: 10.22363/1815-5235-2019-15-3-201-209Азаров А. В. Континуальная модель сетчатой композитной структуры / А. В. Азаров, А. Ф. Разин // Механика композитных материалов и конструкций. – 2020. – Т. 26, № 2. – С. 269–281. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2020.26.02.269_281.09Azarov, A. V. & Razin, A. F. (2020). Continuum model of the lattice composite structure. Mekhanika kompozitnykh materialov i konstruktsiy, vol. 26, no. 2, pp. 269–281. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2020.26.02.269_281.09 (in Russian)Образцов И. Ф. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов / И. Ф. Образцов, В. В. Васильев, В. А. Бунаков. – М.: Машиностроение, 1977. – 144 с.Obraztsov, I. F., Vasilev, V. V. & Bunakov, V. A. (1977). [Optimal reinforcement of rotary shell made of composite materials]. Moscow: Mashinostroyeniye, 144 p. (in Russian)Бунаков В. А. Оптимальное проектирование сетчатых композитных цилиндрических оболочек / В. А. Бунаков // Механика конструкций из композиционных материалов: сборник научных статей. – 1992. – Вып. 1. – С. 101–125.Bunakov, V. A. (1992). [Optimal design of the lattice composite cylindrical shells]. Mekhanika konstruktsiy iz kompozitsionnykh materialov: sbornik nauchnykh statey, pp. 101–125. (in Russian)Liu F. Designing efficient grid structures considering structural imperfection sensitivity / F. Liu, R. Feng, K. D. Tsavdaridis, G. Yan [Электронный ресурс] // Engineering Structures. 2020. Vol. 204. ID: 109910. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109910 (дата обращения: 28. 11. 2021).Liu, F., Feng, R., Tsavdaridis, K. D. & Yan, G. (2020). Designing efficient grid structures considering structural imperfection sensitivity. Engineering Structures, vol. 204, ID: 109910. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109910 (accessed: 28. 11. 2021).Yadzi M. S., Rostami S. L. L., Kolahdooz A. Optimization of geometric parameters in a specific composite lattice structure using neural networks and ABC algorithm // Journal of Mechanical Science and Technology. 2016. Vol. 30, no. 4. Pp. 1763–1771. DOI: 10.1007/s12206-016-0332-1Yadzi, M. S., Rostami, S. L. L. & Kolahdooz, A. (2016). Optimization of geometric parameters in a specific composite lattice structure using neural networks and ABC algorithm. Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 30, no. 4, pp. 1763–1771. DOI: 10.1007/s12206-016-0332-1Li Zi-ying, Gan H. Optimal design of space grid structure // International Conference on Architectural, Civil and Hydraulics Engineering (ICACHE 2015), 2015. Pр. 41–45.Li, Zi-ying & Gan, H. (2015). Optimal design of space grid structure. International Conference on Architectural, Civil and Hydraulics Engineering (ICACHE 2015), pр. 41–45.Francisco M. B. Multiobjective design optimization of CFRP isogrid tubes using sunflower optimization based on metamodel / M. B. Francisco, J. L. J. Pereira, G. A. Oliver, F. H. S. da Silva, S. S. da Cunha Jr. G. F. Gomes [Электронный ресурс] // Computers & Structures. 2021. Vol. 249. ID: 106508. DOI: 10.1016/j.compstruc.2021.106508 (дата обращения: 28. 11. 2021).Francisco, M. B., Pereira, J. L. J., Oliver, G. A., da Silva, F. H. S., da Cunha Jr., S. S. & Gomes, G. F. (2021). Multiobjective design optimization of CFRP isogrid tubes using sunflower optimization based on metamodel. Computers & Structures, vol. 249, ID: 106508. DOI: 10.1016/j.compstruc.2021.106508 (accessed: 28. 11. 2021).Беззаметнов О. Н. Оценка влияния ударных повреждений на прочность интегральных панелей из полимерных композиционных материалов при сжатии / О. Н. Беззаметнов [и др.] // Вестник Московского авиационного института. – 2021. – Т. 28, № 4. – С. 78–91. DOI: 10.34759/vst-2021-4-78-91Bezzametnov, O. N., Mitryaikin, V. I., Khaliulin, V. I., Markovtsev, V. A. & Shanygin, A. N. (2021). Impact damages effect assessment on compressive strength of integral panels from polymer composite materials. Aerospace MAI Journal, vol. 28, no. 4, pp. 78–91. DOI: 10.34759/vst-2021-4-78-91 (in Russian)Маскайкин В. А. Исследование теплопроводности многослойной теплоизоляционной обшивки летательных аппаратов в условии полета / В. А. Маскайкин, В. П. Махров // Вестник Московского авиационного института. – 2021. – Т. 28, № 4. – С. 118–130. DOI: 10.34759/vst-2021-4-118-130Maskajkin, V. A. & Mahrov, V. P. (2021). Thermal conductivity research of the aircraft heat-insulating skin under flight conditions. Aerospace MAI Journal, vol. 28, no. 4, pp. 118–130. DOI: 10.34759/vst-2021-4-118-130 (in Russian)Склезнев А. А. Несущая сетчатая оболочка из композиционных материалов с металлической обшивкой и способ ее изготовления / А. А. Склезнев [и др.] – Патент RU № 2765630 С1 / B64C 1/12, 01. 02. 2022.Skleznev, A. A., Vasiliev, V. V., Razin, A. F. & Salov, V. A. (2022). Structural mesh shell made of composite materials with metal skin and method for manufacture thereof. Patent RU, no. 2765630 С1 / B64C 1/12, February 01, 2022. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.