Численно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния разъемных соединений ракетных двигателей

Работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния ответственных разъемных соединений (шпоночных и резьбовых) твердотопливных ракетных двигателей. Целью работы является исследование напряженно-деформированного состояния ответственных узлов в ракетной технике (на примере резьбового и шпоночного соединений) на основе сравнительного анализа результатов численного моделирования в ANSYS и натурного эксперимента методом фотоупругости.

Для обеспечения высокой надежности конструкций предложен комплексный подход, сочетающий конечно-элементное моделирование в ANSYS и экспериментальную валидацию поляризационно-оптическим методом. Научная новизна заключается в получении уточненных данных о напряженном состоянии исследуемых узлов за счет внедрения алгоритма «виртуальной фотоупругости» для прямой количественной валидации расчетов. В качестве эффективного технологического инструмента для создания оптических моделей применена 3D-печать. Выявлены критические локальные концентраторы напряжений во впадинах резьбы и углах пазов.

Результаты показали высокую сходимость численного и натурного экспериментов (относительная погрешность составила 0,57 % для резьбового соединения, а также 3,4 % — для шпоночного), что подтверждает корректность расчетных моделей. Практическая значимость работы заключается в том, что апробированная методика может применяться как на ранних стадиях проектирования, так и для прочностной оптимизации геометрии существующих конструкций.

1. Гузь А. Н., Макаренков А. Г., Чернышенко И. С. Прочность конструкций РДТТ: монография. Москва: Машиностроение, 1980. 244 с.

2. Апакидзе Ю. В. Твердотопливные двигательные установки маршевых ступеней баллистических ракет. Москва: АО «Корпорация «Московский институт теплотехники», 2021. 137 с.

3. Герасимов С. И. Применение метода фотоупругости для анализа остаточных напряжений в компакт-дисках // Прикладная механика и техническая физика. 2004. Т. 45, № 3 (265). С. 176–180. EDN: ONMBVD.

4. Фрохт М. М. Фотоупругость. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений / пер. с англ. М. Ф. Бокштейн, Ю. Ф. Красонтовича, А. К. Прейсс. Т. 1. Москва, Ленинград: Гостехиздат, 1948. 432 с.

5. Huang Y., Yang X., Yan D. [et al.]. Digital Photoelasticity method used in the stress test. 2010 International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering. Changchun, 2010. P. 156–159.

6. Yokoyama Yu., Mitchell B.-R., Nassiri A. [et al.]. Integrated photoelasticity in a soft material: phase retardation, azimuthal angle, and stress-optic coefficient. Optics and Lasers in Engineering. 2023;161:107335. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2022.107335.

7. Ramesh Kr., Sachin S. Digital photoelasticity: Recent developments and diverse applications. Optics and Lasers in Engineering. 2020;135:106186. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106186.

8. Digendranath S., Jeby Ph., Annamala S. P. Assessment of a complex aerospace design through optical techniques. Applied Mechanics and Materials. 2014;592-594:1006–1010. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.592-594.1006.

9. Raptis K. G., Savaidis A. A. Experimental investigation of spur gear strength using photoelasticity. Procedia Structural Integrity. 2018;10:33–40. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2018.09.006.

10. Маршалкович А. С., Аскадский А. А. Получение оптически чувствительных полимерных материалов для моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций и сооружений методом фотоупругости // Вестник МГСУ. 2011. № 1-2. С. 167–178. EDN: OUVZJP.

11. Magalhães P. A., Magalhães C. A., Magalhães A. L. Computational methods of phase shifting to stress measurement with photoelasticity using plane polariscope. Optik. 2017;130:213–226. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.11.037.

12. Лихачев А. В., Табанюхова М. В. Новый алгоритм обработки данных метода фотоупругости // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2022. № 79. С. 100–110. https://doi.org/10.17223/19988621/79/9. EDN: EKATRN.

13. Pástor M., Hagara M., Kostka J. Stress Analysis Performed by Photoelasticity and Digital Image Correlation. Applied Mechanics and Materials. 2015;816:474–481. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.816.474.

14. Савостьянов В. Н., Фриштер Л. Ю. 100 лет: фотоупругость–ЛИН-МИСИ–МГСУ // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16, № 10. С. 1297–1323. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2021.10.1297-1323. EDN: GACCWH.

15. Riccio A., Acanfora V., Sellitto A. [et al.]. A comparative numerical-experimental investigation on the tensile behaviour of bonded, rivetted and hybrid composite joints configurations. Composite Structures. 2023;318(236):117114. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117114