Решение задачи оптимизации в целях проектирования сетчатой структуры из полимерных композиционных материалов с наружной обшивкой

   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.

1. Vasiliev V. V., Morozov E. V. Advanced mechanics of composite materials and structures. 4th ed. USA: Elsevier, 2018. 856 p. DOI: 10.1016/C2016-0-04497-2

2. Giusto 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.2020.05.754

3. Васильев 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.2016.02.043

8. Toh 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).

9. 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).

10. 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: 10.22363/1815-5235-2019-15-3-201-209

11. Азаров 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_281.09

12. Образцов И. Ф. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов / И. Ф. Образцов, В. В. Васильев, В. А. Бунаков. – М.: Машиностроение, 1977. – 144 с.

13. 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.

14. 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).

15. 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/s12206-016-0332-1

16. Li Zi-ying, Gan H. Optimal design of space grid structure // International Conference on Architectural, Civil and Hydraulics Engineering (ICACHE 2015), 2015. Pр. 41–45.

17. 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).

18. 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-2021-4-78-91

19. 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-2021-4-118-130

20. 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.