name: Напряженно-деформированное состояние и прочность шпангоута авиационного двигателя из полимерных композиционных материалов
keyword_list: ANSYS жесткость прочность шпангоут полимерные композиционные материалы
abstract: Объект исследования – задний шпангоут реверсивного устройства из полимерных композиционных материалов
  Цель работы – установление зависимостей между структурой композиционного материала и особенностями напряженно-деформированного состояния и разрушения шпангоута авиационного двигателя при эксплуатационных нагрузках, выбор рациональной схемы армирования шпангоута и подтверждение его работоспособности.
  Методы исследования: метод конечных элементов и программный комплексе Ansys Worckbench. Экспериментальный метод и метод регистрации деформаций в режиме реального времени с помощью системы волоконно-оптических датчиков.
  Оборудование: программный комплекс Ansys Worckbench, универсальная испытательная машина Zwick Z100 Pro Line, интеррогатор ASTRO 327 и волоконно-оптические датчики на основе Брегговских решеток.
  Результаты, их теоретическая и практическая значимость: 
  Проведен анализ типовых конструктивных вариантов и условий нагружения силовых шпангоутов для узлов авиационной и ракетной техники, показано, что особенностью деформирования шпангоута является изгиб из плоскости под действием высоких осевых нагрузок. Проведен сравнительный анализ механических свойств и выбраны перспективные полимерные композиционные материалы и схемы армирования для обеспечения требуемых деформационных характеристик и запасов прочности шпангоута при заданных вариантах эксплуатационных нагрузок. Сформулирована постановка задачи механики деформируемого твердого тела и разработаны математические модели для расчета напряженно-деформированного состояния, оценки прочности и жесткости шпангоута из полимерных композиционных материалов
  Проведен расчет, сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния и получены оценки запасов прочности шпангоута из титанового сплава и из композиционных материалов с различными схемами армирования при эксплуатационных нагрузках; по результатам анализа выбрана схема армирования композитного шпангоута РУ, обеспечивающая жесткость и запас прочности, эквивалентные титановому прототипу.
  Разработаны методики экспериментального и расчетного исследования особенностей деформирования и разрушения опытных образцов и сегментов шпангоута из полимерных композиционных материалов. По результатам исследований опытного образца углепластикового шпангоута определена его жесткость при характерном виде деформирования – изгибе из плоскости, и его запасы прочности при характерном виде разрушения – расслоение при отгибе фланца. По результатам сравнения расчетных и экспериментальных данных проведена верификация разработанных математических моделей шпангоута и его сегмента.
  Апробирована система волоконно-оптических датчиков, программно-аппаратный комплекс регистрации и расшифровки сигналов и методика их использования для определения деформаций конструкции из ПКМ при лабораторных испытаниях.
  Конструкция шпангоута авиационного двигателя с выбранной схемой армирования соответствует требуемым запасам прочности и жесткости, разработанные методики испытаний позволяют оценить его основные деформационные и прочностные характеристики, а разработанные математические модели позволяют с достаточной точностью прогнозировать механическое поведение шпангоута при эксплуатационных нагрузках.
  Теоретическая значимость заключается в установленной особенности деформирования шпангоута при эксплуатационных нагрузках – изгиб из плоскости и отгиб фланца; разрушение композитного шпангоута происходит по типу расслоения в области перегиба слоев фланца, после расслоения композитный шпангоут частично сохраняет несущую способность; 
  Изучено влияние параметров армирования слоистого композиционного материала на НДС и прочность шпангоута. Показано, что применение углепластика позволяет получить прочность композитного шпангоута с различными вариантами армирования выше титанового прототипа, а жесткость эквивалентную титановому прототипу можно обеспечить только с использованием углепластика с высокомодульными волокнами и применением схем армирования с углами ± 45°;
  Апробирован метод регистрации деформаций в режиме реального времени с помощью системы волоконно-оптических датчиков и программно–аппаратного комплекса расшифровки сигналов при лабораторных механических испытаниях шпангоута из композиционных материалов, позволяющий фиксировать моменты появления разрушений во внутренней структуре материала.
  Практическую значимость составляют:
  Методики расчета НДС и оценки прочности шпангоутов из ПКМ, позволяющие обосновать выбор материалов и рациональной схемы армирования при их проектировании для конструкций авиационной и ракетной техники;
  Методики лабораторных механических испытаний натурных образцов и сегментов шпангоута из ПКМ с использованием системы волоконно-оптических датчиков для регистрации деформаций в режиме реального времени, позволяющие экспериментально подтвердить прочность и жестокость конструкции шпангоута.
  Рекомендации по проектированию, выбору композиционных материалов и рациональных схем армирования шпангоута реверсивного устройства авиационного двигателя для обеспечения требуемой жесткости и прочности.
  Области применения:
  Разработанные методики расчетных и экспериментальных исследований и рекомендации по проектированию шпангоутов из композиционных материалов могут быть использованы в конструкторских бюро при создании новых образцов авиационной и ракетно-космической техники. Результаты исследований внедрены и используются при создании деталей и узлов из полимерных композиционных материалов новых авиационных двигателей в АО «ОДК-Авиадвигатель» (г. Пермь), в научно-образовательном центре акустических исследований и композитных звукопоглощающих конструкций ФГАОУ ВО ПНИПУ (г. Пермь). Результаты работы использовались при выполнении НИР по государственному заданию 11.2391.2017/4.6 «Разработка системы мониторинга состояния конструкций из полимерных композиционных материалов для современных авиационных двигателей на основе встроенных волоконно-оптических датчиков».
chairman_dissertation_council.name: Валерий
chairman_dissertation_council.surname: Матвеенко
chairman_dissertation_council.patronymic: Павлович
chairman_dissertation_council.position: заведующий кафедрой «Динамики и прочности машин»
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Академик
chairman_dissertation_council.wos_research_id: J-7085-2018;
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 9741980900
chairman_dissertation_council.rinc_id: 14481
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Анатолий
organization_supervisor.surname: Ташкинов
organization_supervisor.patronymic: Александрович
organization_supervisor.position: и.о.ректора
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 30.19.57
rubrics.name: Прочность материалов
rubrics.code: 30.19.29
rubrics.name: Разрушение
oecds.code: 02.03.PU
oecds.name: MECHANICS
oecds.code: 02.03.AI
oecds.name: ENGINEERING, AEROSPACE
speciality_codes.name: Механика деформируемого твердого тела
speciality_codes.code: 01.02.04
supervisors.fio: Аношкин А.Н.
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Механика деформируемого твердого тела
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Сапожников С.Б.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Механика деформируемого твердого тела
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Пестренин В.М.
opponents.scientific_degree: Кандидат физико-математических наук
opponents.speciality_code: Теоретическая механика
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГАОУ ВО "ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"  ФГАОУ ВО "ПНИПУ"  "ПНИПУ"
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ПЕРМСКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
protection_organization.ogrn: 1025900513924
protection_organization.supervisor_name: АНАТОЛИЙ
protection_organization.supervisor_surname: ТАШКИНОВ
protection_organization.supervisor_patronymic: АЛЕКСАНДРОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ФГАОУ ВО "ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"  ФГАОУ ВО "ПНИПУ"  "ПНИПУ"
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ПЕРМСКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
author_organization.ogrn: 1025900513924
author_organization.supervisor_name: АНАТОЛИЙ
author_organization.supervisor_surname: ТАШКИНОВ
author_organization.supervisor_patronymic: АЛЕКСАНДРОВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения