1. Анализ нагрузок
Для проведения расчетов на прочность бака горючего (далее будем обозначать, как бак «Г»), приведенного в задании, необходимо разделить его на составляющие и определить нагрузки, действующие на эти элементы, а также определить их силовую схему.
Конструкция бака «Г» состоит из элементов:
Верхнее сферическое днище. Нагрузки, действующие на днище:
Движение в шахте: давление в свободном объеме бака.
Предстартовый наддув: избыточный внешний перепад давления между баками «О» и «Г».
Днище работает на внешнее давление, следовательно, его следует выполнить вафельной конструкции.
Верхний шпангоут. Нагрузки, действующие на шпангоут:
Движение в шахте: внутреннее давление в свободном объеме бака.
Предстартовый наддув: внутреннее давление в свободном объеме бака горючего и внешнее давление от наддува бака окислителя.
Здесь для шпангоута определяющим будет первый случай – движение в шахте, т.к. при наддуве внешнее давление бака «О» разгружает давление в свободном объёме бака «Г»
Цилиндрическая оболочка. Нагрузки, действующие на оболочку:
Движение в шахте: внешнее эксплуатационное давление, эксплуатационная продольная сжимающая сила и эксплуатационный изгибающий момент.
Предстартовый наддув: давление в свободном объеме бака и давление столба жидкости.
Первый случай для цилиндрической оболочки является определяющим. В связи с этим, её рекомендуется выполнять в вафельном виде.
Нижнее сферическое днище. Нагрузки, действующие на днище:
Движение в шахте: давление в свободном объеме бака и давление столба жидкости.
Предстартовый наддув: давление в свободном объеме бака и давление столба жидкости.
В связи с тем, что днище работает на внутреннее давление, силовой схемой можно принять гладкую конструкцию.
Нижний шпангоут. Нагрузки, действующие на шпангоут:
Движение в шахте: внутреннее давление в свободном объеме бака и давление столба жидкости.
Предстартовый наддув: внутреннее давление в свободном объеме бака и давление столба жидкости.
Для данного шпангоута определяющим является второй случай – предстартовый наддув, т.к. величины свободного давления и давления столба жидкости в этом случае несколько больше, чем при движении в шахте.
6. Тонельнорасходная магистраль. Нагрузки, действующие на ТРМ:
6.1. Движение в шахте: внешнее давление.
6.2. Предстартовый наддув: внешнее давление.
Внешнее для ТРМ давление будет больше в случае предстартового наддува, поэтому второй расчётный случай является определяющим. В качестве силовой схемы можно принять цилиндрическую трубу с кольцевым подкреплением.
2. Выбор материалов
Назначение материалов является важным процессом в создании конструкций, лимитированных по массе, т.к. правильный их выбор может существенно улучшить характеристики изделия и экономичность.
Коэффициент совершенства материалов по массе (K_(G мат)) является определяющим для назначения материала. На рисунке 2 представлена зависимость коэффициента от предела прочности. Наиболее выгодным будет тот материал, у которого K_(G мат) меньше.
Рис. 2. Коэффициент совершенства по массе металлических и не металлических материалов. [1, стр. 21]
Из рисунка видно, что композиционные материалы (правый график) имеют меньший коэффициент, следовательно, имеют меньшую массу. Но для проведения проектных расчетов бака «Г» на прочность они не подходят, т.к. не переносят воздействия агрессивных сред. Стали и титановые сплавы (левый график) имеют наибольший коэффициент. Они превосходят по массе алюминиевые и магниевые сплавы.
Для дополнительной оценки выбора оптимального варианта материала необходимо обратиться к рисунку 3.
