Расчетно-экспериментальная оценка прочности металлокомпозитного бака высокого давления

Амелина Е.В.; Буров А.Е.; Голушко С.К.; Лепихин А.М.; Москвичев В.В.; Юрченко А.В.

Инд. авторы:	Амелина Е.В., Буров А.Е., Голушко С.К., Лепихин А.М., Москвичев В.В., Юрченко А.В.
Заглавие:	Расчетно-экспериментальная оценка прочности металлокомпозитного бака высокого давления
Библ. ссылка:	Амелина Е.В., Буров А.Е., Голушко С.К., Лепихин А.М., Москвичев В.В., Юрченко А.В. Расчетно-экспериментальная оценка прочности металлокомпозитного бака высокого давления // Вычислительные технологии. - 2016. - Т.21. - № 5. - С.3-21. - ISSN 1560-7534. - EISSN 2313-691X.
Внешние системы:	РИНЦ: 27249206;
Реферат:	eng: Composite overwrapped pressure vessels (COPV) are widely used in space industry for fuel and gases storage. Small vessels are well studied and developed while big ones need further investigation of their usability and optimization. Two different approaches to modelling of COPV deformation processes are considered: on the base of shell theories and on the base of spatial theory of elasticity. First approach is used in combination with the structural models of composite material, second one uses improved failure theory. Full-scale tests of COPV used for the analysis of their fracture implementing visual, instrumental and acoustic emission control. A number of simulations and comparative analysis of their results have been done. Different types of composite shell shape, boundary conditions, reinforcement have been compared using the Timoshenko and Andreev-Nemirovskii shell theories and the Nemirovskii structural models of reinforced layer with one-dimensional and two-dimensional fibers. Several failure stages have been studied using spatial FE analysis with special procedures, which had been integrated into the standard FEA software. Ten species of COPVs have been tested for failure and their deformation and fracture characteristics have been determined on the base of the tests results. It is shown, that the suggested COPVs have enough strength and durability to be used in space systems but their safety factor is too big. There are still many optimization capabilities: COPV shape, structural parameters of composite shell, mechanical characteristics of materials and so on. For the purpose of COPV’s improvement it is suitable to use numerical optimization methods using the models based on the shell theories and structural models of composite material. rus: В работе рассмотрены три возможные постановки задачи моделирования напряженно-деформированного состояния металлокомпозитного бака высокого давления: от наиболее простой, позволяющей получить аналитические решения, до комплексной пространственной конечно-элементной модели, учитывающей процессы накопления повреждений и деградацию механических свойств материала. Выполнены численные исследования особенностей деформирования МКБВД. Приведены результаты экспериментальных исследований прочности МКБВД в специальном взрывозащищенном боксе путем нагружения внутренним пневматическим давлением. Экспериментально выявлены механизмы деформирования и разрушения компонентов бака. Получено хорошее согласие результатов численного моделирования и экспериментов.
Ключевые слова:	structural models of composite materials; Shell theories; spatial model; Fea; Full-scale test; simulation; COPV; механизмы деформирования и разрушения; эксперимент; пространственная конечно-элементная модель; теории оболочек; титановый лейнер; композитная оболочка; металлокомпозитный бак высокого давления; deformation and fracture mechanics;
Издано:	2016
Физ. характеристика:	с.3-21
Цитирование:	1. Beeson, H.D., Davis, D.D., Ross, W.L., Tapphorn, R.M. Composite Overwrapped Pressure Vessels. TP-2002-210769. NASA, 2002. 267 p. 2. Thesken, J.C., Murthy, P.L.N., Phoenix, S.L., Greene, N., Palko, J.L., Eldridge, J., Sutter, J., Saulsberry, R., Beeson, H. A Theoretical Investigation of Composite Overwrapped Pressure Vessel (COPV). Mechanics Applied to NASA Full Scale Tests. TM- 2009-215684. NASA, 2009. 27 p. 3. Gebhardt, Ch. NASA Reviews COPV Reliability Concerns for Final Program Flights. Available at: http://www.nasaspaceflight.com/2010/07/nasa-reviews-copv-for-final-programflights/ (accessed: 22.02.2016). 4. Bergin, Ch. SpaceX Falcon 9 failure investigation focuses on COPV struts. Available at: https://www.nasaspaceflight.com/2015/07/spacex-falcon-9-failure-investigation-focuses-update/ (accessed: 22.02.2016). 5. Vasiliev, V.V. Composite pressure vessels: Analysis, design, and manufacturing. Blacksburg, VA: Bull Ridge Publishing, 2009. 690 p. 6. Комков М.А., Тарасов В.А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 431 с. 7. Лепихин А.М., Буров А.Е., Москвичев В.В. Возможности расчетной оценки надежности металлокомпозитных баков высокого давления // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2015. № 4. С. 49-55. 8. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л.: Судпромгиз, 1951. 344 с. 9. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1977. 144 с. Obraztsov, I.F., Vasiljev, V.V., Bunakov, V.A. Optimal reinforcing of composite shells of rotation. Moscow: Mashinostroenie, 1977. 144 p. (In Russ.) 10. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966. 636 с. 11. Андреев А.Н., Немировский Ю.В. К теории упругих многослойных анизотропных оболочек // Изв. АН СССР. МТТ. 1977. № 5. С. 87-96. 12. Немировский Ю.В., Резников Б.С. Прочность элементов конструкций из композиционных материалов. Новосибирск: Наука, 1986. 165 с. 13. Немировский Ю.В. К теории термоупругого изгиба армированных оболочек и пластин // Механика полимеров. 1972. № 5. С. 861-873. 14. Golushko, S.K., Yurchenko, A.V. Solution of boundary value problems in mechanics of composite plates and shells // Russ. J. of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2010. Vol. 25, No 1. P. 27-55. 15. Ascher, U., Christiansen, J., Russell, R.D. Collocation software for Boundary - Value ODEs // ACM. Trans. on Math. Software. 1981. Vol. 7, No 2. P. 209-222. 16. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. 448 с. 17. Liu, P.F., Chu, J.K, Hou, S.J., Xu, P., Zheng, J.Y. Numerical simulation and optimal design for composite high-pressure hydrogen storage vessel: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. Vol. 16. P. 1817-1827. 18. Работнов Ю.Н. О механизме длительного разрушения // Вопр. прочности материалов и конструкций. М.: Изд-во АН СССР. 1959. С. 5-7. 19. Качанов Л.М. О времени разрушения в условиях ползучести // Изв. АН СССР. ОТН. 1958. № 8. С. 26-31. 20. Hashin, Z. Failure criteria for unidirectional fiber composites // J. of Applied Mechanics. 1980. Vol. 47. Р. 329-334. 21. Кашин О.А., Дударев Е.Ф., Колобов Ю.Р., Гирсова Н.В., Иванов М.Б., Вали-ев Р.З. Деформационное поведение и разрушение субмикрокристаллического титана при циклическом нагружении // Вест. Самарского гос. техн. ун-та. Физико-математические науки. 2004. № 27. C. 130-134. 22. Wang, R., Jiao, W., Liu, W. and Yang, F. A new method for predicting dome thickness of composite pressure vessels // J. of Reinforced Plastics and Composites. 2010. Vol. 29(22). P. 3345-3352. DOI: 10.1177/0731684410376330.