Моделирование механического поведения материалов элементов конструкций космических аппаратов

• Автор: Марицкий, Николай Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 135 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Теоретические построения моделей описания механического поведения
1.1 Модели механического поведения вязкоупругих материалов
1.2 Модели поведения материалов, учитывающие накопленные в процессе эксплуатации повреждений и функция поврежденпости материала
1.3 Моделирование механического поведения металлических сетеполотен
2. Алгоритм определения параметров моделей описания механического поведения
2.1 Выбор моделей описания механического поведения рассматриваемых материалов
2.1.1 Модель механического поведения вязкоупругого материала
2.1.2 Учет влияния температуры в определяющих соотношениях
2.1.3 Усталость материалов и усталостная долговечность
2.1.4 Введение функции поврежденности материала для практ ичееких расчетов
2.2 Описание современных неразрушающих методов исследования
2.3 Применение метода АЭ для прогнозирования разрушения материалов
3. Методика проведения экспериментальных исследований
3.1 Методика экспериментальных исследований
3.2 Описание эксперимента
3.3 Методика определения коэффициента поперечной деформации
3.4 Применение метода АЭ для прогнозирования разрушения материалов
3.4.1 Методика регистрации и измерений акустических сигналов
3.4.2 Методика прогнозирования разрушения
3.5 Методика экспериментальных исследований металлических сетеполотен
4. Результаты экспериментальных исследований
4.1 Результаты экспериментальных исследований низкотемпературных припоев
4.2 Результаты экспериментальных исследований высокоплошой керамики
на основе оксида алюминия
4.3 Результаты экспериментальных исследований конструкционных сталей
4.4 Результаты экспериментальных исследований композитных материалов
на основе углеродных волокон и цианат-эфириого связующего
4.5 Результаты экспериментальных исследований электротехнической меди
4.6 Определение погрешности разработанной модели повреждаемых материалов
4.7 Результаты экспериментальных исследований металлического сетеполотна
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТА ТЫ РАБОТЫ
Приложения
Используемые в тексте сокращения и обозначения
Список использованных источников и литературы
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Перечень нормативных документов
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Таблицы экспериментальных результатов

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы - одна из основных целей, стоящих перед космической промышленностью на сегодняшний день это создание искусственного спутника Земли с длительным сроком активного существования (15 лет и выше). Среди требований, предъявляемых к изделиям аппаратуры космического назначения, важное место занимают характеристики стойкости и долговечности при воздействии механических и термомеханических нагрузок.
Процесс создания космических аппаратов (далее КА) включает в себл этапы, связанные с проектированием, изготовлением и экспериментальной отработкой отдельных элементов, агрегатов, систем и аппарата в целом. В современных условиях до 40% всех возникающих проблем решаются при помощи испытаний в рамках наземной экспериментальной отработки. Совершенствование средств математического моделирования физических процессов постепенно уменьшает эту долю, выводя решение ряда проблем в область проектирования [9J.
Современные технологии проектирования элементов конструкции и радиоэлектронной аппаратуры (далее РЭА) КА основываются на использовании цифровой модели изделий, что позволяет существенно сократить сроки разработки и оценить степень соответствия разрабатываемых изделий аппаратуры космического назначения требованиям, предъявляемым к ним еще на этапе проектирования, а также снизить объемы наземной экспериментальной отработки за счет сокращения итераций доводки опытных образцов.
Построение цифровой модели этих изделий, пригодной для моделирования механических процессов, как на этапе проектирования, так и на этапе наземной экспериментальной отработки, невозможно без использования адекватных, теоретически обоснованных физико-математических моделей, достоверно описывающих механическое поведение используемых материалов и учитывающих особенности их поведения в условиях эксплуатации изделий из них, а также методов достоверного прогнозирования долговечности этих материалов.
Таким образом, качественное, надежное и эффективное моделирование напряженно-деформированного состояния материалов элементов КА является одним из актуальных направлений для развития ракетно-космической от расли.
Решением задачи моделирования механического поведения материалов в конструкциях занимались такие специалисты как 10.Н. Работпов, A.A. Илыошин, В.В. Москвитин, М.А. Колтунов, Б.Е. Побсдря, В.В. Болотин, H.A. Махутов, С.О. Гевлич, В.II. Крищук, А.Н. Аношкин, В.М. Горицкий и др. [16, 24, 34-37, 45, 46, 49, 50] При всем разнообразии наибольший интерес представляют сравнительно простые, но адекватно описывающие реальное механическое поведение материалов нелинейные модели, параметры которых

возможно определить либо по минимальному числу простых экспериментов (одноосное растяжение, трехточечный изгиб и проч.), либо по результатам кратковременных испытаний. Также большой интерес представляет возможность определения параметров моделей механического поведения и прогнозирования ресурса эксплуатации при помощи методов неразрушающего контроля (МНК). Учитывая потенциально широкую область применимости данных методов в развитии электронной промышленности, разработка метода прогнозирования долговечности и определения параметров моделей механического поведения материалов при помощи МИК должна занимать одно из ключевых мест в области проектирования.
Цель диссертации - установление закономерностей механического поведения и разработка метода достоверного прогнозирования долговечности материалов, применяемых элементах космических аппаратов (а именно: высокоплотиых керамик с низкой температурой обжига на основе оксида алюминия, низкотемпературных припоев системы олово-свинец, конструкционных сталей, композитных материалов на основе углеродных волокон и цианат-эфирного связующего, металлических сетеполотен).
Решаемые задачи для достижения поставленных целей:
1. Исследование механического поведения материалов, используемых в современной технике (в том числе космической), а именно высокоплотных керамик с низкой температурой обжига на основе оксида алюминия, низкотемпературных припоев системы олово-свинец, конструкционных сталей, композитных материалов на основе углеродных волокон и цианат-офирного связующего, металлических сетеполотен.
2. Определение, на основе анализа экспериментальных результатов, моделей механического поведения рассматриваемых материалов в условиях реализующихся при эксплуатации КА, учитывающих особенности поведения материалов п накопленные в процессе эксплуатации повреждения.
3. Разработка алгоритма и методики определения материальных констант моделей и механических характеристик исследуемых материалов на основании проведенных механических испытаний в диапазоне температур эксплуатации космической техники.
4. Разработка алгоритма определения параметров кинетического уравнения модели накопления повреждений низкотемпературных припоев, системы олово-свинец в стационарном температурном поле в условиях статического и циклического нагружения при помощи метода акустической эмиссии.

2. Алгоритм определения параметров моделей описания механического поведения Цель данной главы диссертации — разработка алгоритма определения моделей (и их параметров) механического поведения материалов, используемых в элементах космических аппаратов (а именно: высокоплотных керамик с низкой температурой обжига на основе оксида алюминия, низкотемпературных припоев системы олово-свинец, конструкционных сталей, композитных материалов на основе углеродных волокон и цианат-эфирпого связующего).
2.1 Выбор моделей описания механического поведения рассматриваемых материалов
2.1.1 Модель механического поведения вязкоупругог о материала Для описания механическог о поведения низкотемпературных припоев системы олово-свинец в случае одномерного напряженно-деформированного состояния планировалось использовать вязкоупругую модель [50J. учитывающую теорию наследственной вязкоупругости:
t'W = ~ + /0‘ К (К - т>(т)4 (2.1.1)
где Ец - мгновенный модуль упругости, измеренный при начальной температуре (например, при 25°С), Е(Т) - модуль Юнга материала, меняющийся при изменении температуры, отличной от начальной, s(/) и а(/) - функции от времени, описывающие изменение деформированного и напряженного состояния, K(t) - ядро ползучести. В данном соотношении время /' является приведенным временем, которое введено соотношением (2.1.4). Таким образом, данная математическая модель отображает зависимость напряжений не только от мгновенных деформаций, но и от предшествующих, которые оказывают тем меньшее влияние, чем больше времени протекло с момента предшествующих деформаций. Кроме того, данное соотношение учитывает влияние температуры на поведение материала. Следует заметить, что такая модификация зависимости для связи напряженного и деформированного соотношения влечет за собою осложнения при обращении соотношения.
Поэтому для дальнейших исследований для описания механического поведения низкотемпературных припоев системы олово-свинец в случае одномерного напряженного состояния, используя теорию Больцмана-Вольтерры, использовались взаимообратные соотношения вида [24]:
o-(t) = Е0 [e(t) - jJ R(t - T)£(T)dr], (2.1.2a)
e(0 = — [o-(t) + /ц K(t- (2.1.26)
В данном случае, учет влияния температуры возможен при использовании приведет it того времени из соотношения (2.1.4).