Details

Целью работы является разработка и верификация комплексной методики расчетного обоснования прочности и устойчивости конструкций, усиленных пространственно-стержневыми каркасами из композиционных материалов, изготовленными методом роботизированной намотки. Методы исследования – аналитический и численный (конечно-элементный) анализ напряженно-деформированного состояния конструкции. Метод оптимизации – метод планирования эксперимента Бокса-Бенкена. В ходе работы были выполнены следующие задачи: - Разработаны математические и компьютерные модели для определения осевой и изгибной жесткости элементарной ячейки каркаса; - Выполнена верификация разработанных компьютерных моделей; - Исследовано влияние технологического преднапряжения армирующих волокон на жесткостные характеристики ячейки и разработан метод его численного моделирования; - Проведена многокритериальная параметрическая оптимизация геометрических характеристик ячейки с целью построения фронта Парето для нахождения оптимального соотношения «масса-жесткость»; - Создана цифровая модель судовой переборки, усиленной каркасом из оптимизированных ячеек; - Проведен сравнительный анализ прочности и жесткости разработанной конструкции с аналогами из изотропных и сплошных композиционных материалов; - Выполнена кроссплатформенная верификация результатов численного моделирования в различных программных комплексах; - Проведен численный анализ потери устойчивости усиленной переборки для определения критических нагрузок и соответствующих форм; - Разработан программный компонент для автоматизированного построения пространственно-стержневого каркаса на поверхностях произвольной формы; Актуальность работы заключается в необходимости углубленном исследовании и обосновании использования сложных силовых каркасов в комбинации с композитными структурами. Технология пространственно-стержневой роботизированной намотки является одним из передовых аддитивных методов производства, позволяющим создавать сложные силовые каркасы с оптимальной ориентацией армирующих волокон. Однако сложность анизотропной структуры таких каркасов требует разработки и верификации специализированных методик расчетного анализа для достоверного прогнозирования их прочности и устойчивости, что позволяет сократить объем дорогостоящих натурных испытаний и ускорить цикл проектирования.

The aim of this work is the development and verification of a comprehensive methodology for the computational substantiation of the strength and stability of structures reinforced with spatial rod frameworks made of composite materials and manufactured by robotic winding. Research methods: analytical and numerical (finite element) analysis of the stress-strain state of the structure. Optimization method: the Box–Behnken design of experiments. The following tasks were accomplished: – mathematical and computer models were developed to determine the axial and bending stiffness of the frameworks unit cell; – the developed computer models were verified; – the influence of the manufacturing prestress of the reinforcing fibers on the stiffness characteristics of the cell was investigated, and a method for its numerical modeling was developed; – a multi-objective parametric optimization of the cells geometric characteristics was carried out to construct a Pareto front for finding the optimal mass-to-stiffness ratio; – a digital model of a ship bulkhead reinforced with a framework of optimized cells was created; – a comparative analysis of the strength and stiffness of the developed structure against analogs made of isotropic and solid composite materials was performed; – cross-platform verification of the numerical modeling results was carried out in different software packages; – a numerical buckling analysis of the reinforced bulkhead was performed to determine the critical loads and corresponding mode shapes; – a software component for the automated generation of a spatial rod framework on surfaces of arbitrary shape was developed. The relevance of the work lies in the need for in-depth research and substantiation of the use of complex load-bearing frameworks in combination with composite structures. Robotic spatial rod winding is one of the advanced additive manufacturing methods, allowing the creation of complex load-bearing frameworks with an optimal orientation of the reinforcing fibers. However, the complexity of the anisotropic structure of such frameworks requires the development and verification of specialized computational analysis methodologies for the reliable prediction of their strength and stability, which makes it possible to reduce the volume of expensive physical testing and accelerate the design cycle.