Design of multi-wall composite shells
This paper investigates a problem of optimal design of a multi-walled cylindrical shell under axial compressive loads. The multi-walled shell consists of two load-carrying layers connected by a set of composite walls. The main structural element of the load-carrying layer is a monolayer comprising parallel-laid fibers that are interconnected by a polymer binder - a matrix. The wall represents a unidirectional composite made from the same material as the load- carrying layers. Both strength and stability constraints are taken into account during mathematical modeling. The critical load corresponding to a general form of buckling is determined by a classical formula for an orthotropic shell with “reduced” stiffnesses. The critical load corresponding to a local form of buckling is calculated using the well-known formula for a smooth orthotropic plate. The target function is the mass of the structure. The solution to the problem of optimal design of a multi-walled structure is proved to be unique. The conditions ensuring the existence of the problem solution are formulated. The example of evaluating the efficiency of reinforcing elements in a shell structure is given. The presented research results can find application in design problems for modern composite structures in rocket and space industry.
Keywords
multi-walled shell,
composite,
stability,
strength,
designAuthors
| Kusyakov Alfred Sh. | Perm State National Research University | kusyakov@psu.ru |
Всего: 1
References
Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, 1976. 408 с.
Маневич А.И. Устойчивость и оптимальное проектирование подкрепленных оболочек. Киев; Донецк: Вища школа, 1979. 152 с.
Кабанов В.В. Устойчивость неоднородных цилиндрических оболочек. М.: Машиностроение, 1982. 256 с.
Карпов В.В. Уравнения в смешанной форме для ребристых оболочек общего вида и методика их решения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. № 2. С. 116-134. DOI: 10.15593/perm.mech/ 2019.2.09.
Степанов К.А., Тимченко С.В. Аэродинамическое проектирование изолированного трехмерного крыла беспилотного летательного аппарата // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2018. № 54. C. 118-130. DOI: 10.17223/19988621/54/10.
Баничук Н.В., Кобелев В.В., Рикардс Р.Б. Оптимизация элементов конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. 224 с.
Кусяков А.Ш. Проектирование композитных стрингерных пластин // Вестник Пермского университета: Математика. Механика. Информатика. 2019. Вып. 4(47). С. 44-48. DOI 10.17072/1993-0550-2019-4-44-48.
Почтман Ю.М., Тугай О.В. Подкрепленные многослойные цилиндрические оболочки минимального веса, сжатые в осевом направлении // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Вып. 1. Горький: Горьковский государственный университет, 1980. С. 153-156.
Разин А.Ф., Никитюк В.А.,Халиманович В.И. Анализ сетчатых структур из композиционных материалов, применяемых в силовых конструкциях космических аппаратов // Конструкции из композиционных материалов. 2011. № 2. С. 3-7.
Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. 272 с.
Васильев В.В., Лопатин А.В. Теория сетчатых и подкрепленных композитных оболочек // Механика конструкций из композиционных материалов: Сборник трудов IV симпозиума по механике конструкций из композиционных материалов. Новосибирск: Наука, 1984. С. 31-36.
Бокучаева П.Н., Евстафьев В.А., Бабук В.А. Численное исследование влияния количества и расположения продольных ребер на массу композитных сетчатых цилиндрических оболочек летательных аппаратов // Конструкции из композиционных материалов. 2018. № 3. С. 19-22.
Советова Ю.В., Сидоренко Ю.Н., Скрипняк В.А. Многоуровневый подход к исследованию влияния объемного соотношения компонентов волокнистого однонаправленного углепластика на его механические характеристики // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2014. № 2 (28). C. 77-89.
Burton W.S., Noor A.K. Assessment of computational models for sandwich panels and shells // Comput. Meth. Appl. Mech. Engng. 1995. V. 124. Iss. 1-2. P. 125-151.
Кусяков А.Ш. Проектирование трехслойных пластин, находящихся в условиях цилиндрического изгиба // Проблемы механики и управления. Нелинейные динамические системы: межвузовский сборник научных трудов / Перм. гос. нац. иссл. ун-т. 2019. Вып. 51. С.6-12.
Сухинин С.Н. Прикладные задачи устойчивости многослойных композитных оболочек. М.: Физматлит, 2010. 248 с.
Болтаев П.И., Зорин В.А. Методы расчета подкрепленных оболочек из композиционных материалов // Конструкции из композиционных материалов. 2011. № 2. С. 8-20.
Смердов А.А., Шон Ф.Т. Расчетный анализ и оптимизация многостеночных композитных несущих оболочек // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 11. С. 90-98.
Смердов А.А., Шон Ф.Т. Анализ эффективности оптимальных композитных оболочек многостеночной и трехслойной схем для отсеков ракет-носителей и разгонных блоков // Конструкции из композиционных материалов. 2016. № 3. С. 58-65.
Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. М.: Наука, 1967. 984 с.
