Сравнение различных способов увеличения внутреннего радиуса толстостенной цилиндрической муфты из сплава с памятью форм


Авторы

Шарунов А. В.

ПАО «ОАК» – ОКБ Сухого, ул. Поликарпова, д. 23А, а/я 483, Москва, 125284, Россия

e-mail: aleksej-sharunov@yandex.ru

Аннотация

Одно из наиболее перспективных применений сплавов с памятью формы (СПФ) в авиационной промышленности [1,2] заключается в изготовлении из них муфт, предназначенных для термомеханического соединения (ТМС) трубопроводов. В настоящее время в ОКБ «Сухого», проведен анализ возможности применения вышеуказанных сплавов в гидравлической системе ЛА, выявлены зоны предпочтительного использования муфтовых соединений из СПФ в конструкции планера («сухие зоны», «закладные зоны» под композиционными панелями). Также рассматривалось применение муфтовых соединений из СПФ для проведения ремонтных работ топливных и гидравлических систем ЛА непосредственно в местах базирования и эксплуатации ЛА.

В рамках работы были разработаны математические модели материала СПФ в программном комплексе конечно — элементного моделирования Simulia AbaQus, способные описывать функциональные свойства СПФ, реализуемые в процессе всего жизненного цикла муфты из этого материала. Кроме того, модели обладают высоким уровнем доступности и могут быть использованы при решении большинства технических проектов по внедрению в конструкцию ЛА элементов из СПФ, в том числе при проектировании термомеханических соединений с применением муфт из этого материала. А также предложены два альтернативных способа увеличения внутреннего радиуса муфты из СПФ, проведено сравнение с используемым в настоящее время методом дорнирования, выявлен оптимальный подход.

Достоверность результатов работы подтверждена валидацией разработанных программных модулей по результатам натурных испытаний элементарных образцов на базе системы Ni-Ti и верификацией по известным аналитическим решениям модельных краевых задач механики СПФ.

Ключевые слова:

сплавы с памятью формы, термомеханическое муфтовое соединение, гидравлическая и топливная системы ЛА, метод конечных элементов, Simulia AbaQus, напряженно – деформированное состояние

Библиографический список

  1. Халов М.О. Перспективы применения сплавов с памятью на основе никелида титана в устройствах аэрокосмического назначения // Труды МАИ. 2012. № 55. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=30132

  2. Ковалевич М.В., Климова А.А. Совмещение традиционных операций листовой штамповки и пневмотермической формовки в режиме сверхпластичности для изготовления изделий авиационной техники // Труды МАИ. 2010. № 38. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=14150

  3. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. – Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1987. – 216 с.

  4. Арутюнов А.Г., Дыдышко Д.В, Ендогур А.И., Кузнецов К.В., Толмачев В.И. Перспективы развития транспортных самолетов // Труды МАИ. 2016. № 90. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=74704

  5. Смагин Д.И., Пугачев Ю.Н., Долгов О.С. К вопросу испытаний бортовых гидравлических систем и их значение при разработке современных видов воздушных судов // Труды МАИ. 2011. № 44. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=25118

  6. Низаметдинов Ф.Р., Сорокин Ф.Д., Иванников В.В. Разработка конечного элемента оболочки для моделирования больших перемещений элементов конструкций летательных аппаратов // Труды МАИ. 2019. № 109. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=111337. DOI: 10.34759/trd-2019-109-2

  7. Kapgan M., Melton K. Shape memory alloy tube and pipe couplings // Proceedings of Engineering Aspects of Shape Memory Alloys, London, 1990, pp. 137-148.

  8. Tabesh M., Atli K., Rohmer J., Franco B., Karaman I., Boyd J., Lagoudas D. Design of shape memory alloy pipe couplers: modeling and experiments // Proceedings of SPIE 8343, Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies, San Diego, 2012, pp. 18. DOI: 10.1117/12.915361

  9. Lomakin E.V. Constitutive models of mechanical behavior of media with stress state dependent material properties // Advanced Structurtd Materials, 2011, vol. 7, pp. 339-350. DOI: 10.1007/978-3-642-19219-7_17

  10. Yong Liu, Z. Xie, J. Van Humbeeckd, L. Delaey. Asymmetry of stress-strain curves under tension and compression for NiTi shape memory alloys // Acta materialia, 1998, vol. 46, no. 12, pp. 4325–4338. DOI: 10.1016/S1359-6454(98)00112-8

  11. Wu D., Sun G., Wu J. The nonlinear relationship between transformation strain and applied stress for nitinol // Materials Letters, 2003, vol. 57, № 7, pp. 1334-1338. DOI: 10.1016/S0167-577X(02)00983-7

  12. Машихин А.Б., Мовчан А.А. Задача о прямом мартенситном превращении в толстостенном цилиндре из сплава с памятью формы // Известия РАН. Механика твердого тела. 2016. № 3. С. 100-114.

  13. Машихин А.Е., Мовчан А.А. Краевые задачи термомеханики для цилиндра и сферы из сплава с памятью формы // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 3. С. 113-128.

  14. Шарунов А.В. Решение задачи о нагружении тонкостенных сферы и цилиндра из сплава с памятью формы, с учетом разносопротивляемости материала в режиме мартенситной неупругости // Механика композиционных материалов и конструкций. 2020. Т. 26. № 2. С. 174-189. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2020.26.02.174_189.02

  15. Nushtaev D.V., Zhavoronok S.I. Dynamics of martensite phase transitions in shape memory beams under buckling and postbuckling conditions // IFAC, 2018, vol. 51, no. 2, pp. 873-878.

  16. Nushtaev D.V., Zhavoronok S.I. Abnormal buckling of thin-walled bodies with shape memory effects under thermally induced phase transitions / In: Recent Developments in the Theory of Shells. Advanced Structured Materials, Berlin, Springer, 2019, vol. 110, pp. 227-250. DOI: 10.1007/978-3-030-17747-8_26

  17. Ruiz-Pinilla J., Montoya-Coronado L., Ribas C., Cladera A. Finite element modeling of RC beams externally strengthened with iron-based shape memory alloy (Fe-SMA) strips, including analytical stress-strain curves for Fe-SMA // Engineering Structures, 2020, vol. 223, no. 15. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111152

  18. Saleeb A., Natsheh S., Owusu-Danquah J. Efficiency of finite element analyses of 55NiTi SMA actuators: Solid versus beam and shell modeling // Finite Elements in Analysis and Design, 2017, vol. 136. pp. 58-69. DOI: 10.1016/j.finel.2017.07.011

  19. Porenta L., Lavrencic M., Dujc J., Brojan M., Tusek J. Modeling large deformations of thin-walled SMA Structures by shell finite elements // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2021, vol. 101, no. 55. DOI: 10.1016/j.cnsns.2021.105897

  20. Zhou B., Kang Z., Wang Z., Xue S. Finite element method on shape memory alloy structure and its applications // Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2019, vol. 32, DOI: 10.1186/s10033-019-0401-3

  21. Ho H., Choi E., Park S. Investigating stress distribution of crimped SMA fibers during pullout behavior using experimental testing and a finite element model // Composite Structures, 2021, vol. 272. DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.114254

  22. Xolin P., Collard C., Engels-Deutsch M., Zineb T. Finite element and experimental structural analysis of endodontic rotary file made of Cu-based single crystal SMA considering a micromechanical behavior model // International Journal of Solids Structures, 2021, vol. 221. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2021.01.015

  23. Мовчан А.А., Мовчан И.А., Сильченко Л.Г. Микромеханическая модель нелинейного деформирования сплавов с памятью формы при фазовых и структурных превращениях // Известия РАН. Механика твердого тела. 2010. № 3. С. 118–130.

  24. Мовчан А.А., Сильченко Л.Г., Сильченко Т.Л. Учет явления мартенситной неупругости при обратном фазовом превращении в сплавах с памятью формы // Известия РАН. Механика твердого тела. 2011. № 2. С. 44–56.

  25. Мишустин И.В., Мовчан А.А. Моделирование фазовых и структурных превращений в сплавах с памятью формы, происходящих под действием немонотонно меняющихся напряжений // Известия РАН. Механика твердого тела. 2014. № 1. С. 37–53.

  26. Мишустин И.В., Мовчан А.А. Аналог теории пластического течения для описания деформации мартенситной неупругости в сплавах с памятью формы // Известия РАН. Механика твердого тела. 2015. № 2. С. 78–95.

  27. Мовчан А.А. Определяющие соотношения модели нелинейного деформирования сплавов с памятью формы, разрешенные относительно приращений напряжений // Механика композиционных материалов и конструкций. 2021. Т. 27. № 3. С. 343-359.

  28. Boyd J.G., Lagoudas D.C. A thermodynamical constitutive model for shape memory materials. Part I. The monolithic shape memory alloy // International Journal of Plasticity, 1996, vol. 12, no. 6, pp. 805-842. DOI: 10.1016/S0020-7683(01)00152-4

  29. Arghavani J., Auricchio F., Naghdabadi R., Relai A., Sohrabpour S. A 3-D phenomenological constitutive model for shape memory alloys under multiaxial loadings // International Journal of Plasticity, 2010, vol. 26, no. 7, pp. 976-991. DOI: 10.1016/j.ijplas.2009.12.003

  30. Саганов Е.Б., Шарунов А.В. Решение задачи о сфере из сплава с памятью формы, находящейся под действием постоянного давления, с учетом разносопротивляемости материала // Механика композиционных материалов и конструкций. 2020. Т. 26. № 1. С. 108-121.

  31. Саганов Е.Б. Численное моделирование прямого мартенситного превращения в сплавах с памятью формы с учетом их разносопротиляемости // Механика композиционных материалов и конструкций. 2021. Т. 27. № 4. С. 511-522.

  32. Aerofit, Inc APT Laboratory, 1968-2004. URL: www.aerofit.com

  33. Мовчан А.А., Казарина С.А., Сильченко А.Л. Экспериментальная идентификация модели нелинейного деформирования сплавов с памятью формы при фазовых и структурных превращениях // Деформация и разрушение материалов. 2018. № 12. С. 2-11.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход