Pevnostní posouzení konstrukce výřezu dveří přetlakovatelného habitatu pro extrémní prostředí
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Cíle této práce jsou následující: provedení literární rešerše osvědčených řešení výřezů v přetlakových konstrukcích (vesmírné habitaty, trupy letadel); vypracování vlastního návrhu výřezu pro dveře v sendvičovém panelu; provedení deformačně napěťové analýzy navrženého konstrukčního řešení a optimalizace hmotnosti tohoto návrhu. Pro vyřešení problémů výše je zvolen software Ansys 17.2 pomocí něhož je možné: modelovat homogenní lineárně orthotropní materiál voštinového jádra sendvičového panelu; vyhodnocovat všechny kritické mezní stavy; realizovat optimalizační výpočty, realizovat simulaci metodou Monte Carlo. Výsledkem prvních dvou optimalizačních výpočtů je, že při definovaných parametrech: tloušťka hliníkových potahů 0,635 mm a vnitřní přetlak 0,1 MPa (1 atmosféra), nelze změnou návrhových parametrů vytvořit model, který by byl schopen toto zatížení přenést. Konkrétně je kritické maximální smykové napětí v lepené vrstvě, které je vyšší než mez pevnosti lepidla ve smyku. Proto jsou následně vytvořeny 2 návrhy. První pro přetlak 0,03 MPa se zvětšenou tloušťkou potahů na 3,175 mm, druhý pro přetlak 0,02 MPa s tloušťkou potahů 0,635 mm, definovanou zadavatelem. U obou návrhů je určena celková bezpečnost vzhledem k mezním stavům, a to nejprve deterministicky a následně s uvážením rozptylu materiálových charakteristik voštinového jádra ± 10 % stochasticky simulací metodou Monte Carlo. Celková bezpečnost vzhledem k mezním stavům je u návrhu pro přetlak 0,02 MPa 1,21 a u návrhu pro přetlak 0,03 MPa 1,20. Návrh pro přetlak 0,03 MPa je ale 4krát těžší než návrh pro přetlak 0,02 MPa. U návrhu pro přetlak 0,02 MPa je kritickým mezním stavem mezní stav pružnosti hliníkových částí, na který nemá stochastický charakter materiálových parametrů voštinového jádra statisticky významný vliv. U návrhu pro přetlak 0,03 MPa je naopak kritickým mezním stavem mezní stav smykové delaminace lepených ploch, na který stochastický charakter materiálových parametrů voštinového jádra statisticky významný vliv má. Vyhodnocením koeficientu bezpečnosti deterministicky návrhu pro přetlak 0,03 MPa je absolutní chyba celkové bezpečnosti 8 % (celková bezpečnost určená deterministicky je 1,28), což už lze považovat za významné. Simulací metodou Monte Carlo je také zjištěno, že hodnota Poissonova poměru voštinového jádra XY nemá statisticky významný vliv na žádný z mezních stavů. Koeficient bezpečnosti voštinového jádra dle kritéria maximálních orthotropních napětí i kritéria Tsai-Wu je u obou návrhů větší než 2. Simulace metodou Monte Carlo ale dokazuje, že stochastický charakter materiálových parametrů voštinového jádra může významně snížit tuto hodnotu. Konkrétně při použití konzervativnějšího kritéria Tsai-Wu je koeficient bezpečnosti vzhledem k meznímu stavu pevnosti voštinového jádra určen u návrhu pro přetlak 0,02 MPa deterministicky jako 2,72, stochasticky 2,41 (absolutní chyba 31 %), u návrhu pro přetlak 0,03 MPa deterministicky 6,85, stochasticky 6,17 (absolutní chyba 68 %).
Main goals of this master thesis are following: to perform the state of the art research of overpressure constructions (especially space habitats, plane fuselages); to create an own concept of the functional inside ending (hole) in the sandwich panel for a door; to perform stress-strain analysis of this concept; to perform the design optimalization of this concept in order to minimise the weight. To solve the problems above software Ansys 17.2 is chosen, because it allows to: model the material of the honeycomb core of sandwich panel as homogenous linear orthotropic material; evaluate reserve factors of all critical limit states; perform the design optimalization; perform Monte Carlo simulation. First and second design optimalizations discover, that with defined parameters: 0,635 mm width of aluminium sandwich face sheets and inner overpressure 0,1 MPa, a creation of the model, that would be safe by changing the values of design variables is not possible. Specifically, the maximum value of shear stress on the glued areas between aluminium face sheets and honeycomb core is higher than the shear strength of the glue. Therefore, two new concepts are created. First for inner pressure 0,03 MPa and bigger width of aluminium face sheets 3,175 mm, second for inner pressure 0,02 MPa and same width of aluminium face sheets 0,635 mm. For both these concepts, an overall reserve factor is calculated. First, the value of an overall reserve factor is calculated deterministically. Secondly, the value of an overall reserve factor is calculated stochastically considering the variance of material properties of the honeycomb core ± 10 % by Monte Carlo simulation. An overall reserve factor of the concept with inner pressure 0,02 MPa is determined as 1,21. An overall reserve factor of the concept with inner pressure 0,03 MPa is determined as 1,20. The weight of the concept for inner pressure 0,03 MPa is though 4 times bigger than the weight of the concept for inner pressure 0,02 MPa. In the concept for inner pressure 0,02 MPa the maximum value of HMH stress in aluminium components is critical, stochastically considered material properties of the honeycomb core don’t have a significant influence on this value. In the concept for inner pressure 0,03 MPa the value of maximum shear stress on the glued areas between aluminium face sheets and the honeycomb core is critical, stochastically considered material properties of the honeycomb core have a significant influence on this value. In the concept for inner pressure 0,03 MPa an absolute error of overall reserve factor is 8 % (overall reserve factor calculated deterministically was 1,28) which is significant. Monte Carlo simulation is also used to find that the value of Poisson ratio XY of the honeycomb core doesn’t have statistically significant influence on all limit states. Value of the reserve factor of the honeycomb core is higher than 2 in both concepts. Monte Carlo simulation discovers that this value can be significantly lower. Using Tsai-Wu failure criteria the reserve factor in the concept for inner pressure 0,02 MPa is determined as 2,72 deterministically x 2,41 stochastically (absolute error 31 %), in the concept for inner pressure 0,03 MPa the reserve factor is determined as 6,85 deterministically x 6,17 stochastically (absolute error 68 %).
Main goals of this master thesis are following: to perform the state of the art research of overpressure constructions (especially space habitats, plane fuselages); to create an own concept of the functional inside ending (hole) in the sandwich panel for a door; to perform stress-strain analysis of this concept; to perform the design optimalization of this concept in order to minimise the weight. To solve the problems above software Ansys 17.2 is chosen, because it allows to: model the material of the honeycomb core of sandwich panel as homogenous linear orthotropic material; evaluate reserve factors of all critical limit states; perform the design optimalization; perform Monte Carlo simulation. First and second design optimalizations discover, that with defined parameters: 0,635 mm width of aluminium sandwich face sheets and inner overpressure 0,1 MPa, a creation of the model, that would be safe by changing the values of design variables is not possible. Specifically, the maximum value of shear stress on the glued areas between aluminium face sheets and honeycomb core is higher than the shear strength of the glue. Therefore, two new concepts are created. First for inner pressure 0,03 MPa and bigger width of aluminium face sheets 3,175 mm, second for inner pressure 0,02 MPa and same width of aluminium face sheets 0,635 mm. For both these concepts, an overall reserve factor is calculated. First, the value of an overall reserve factor is calculated deterministically. Secondly, the value of an overall reserve factor is calculated stochastically considering the variance of material properties of the honeycomb core ± 10 % by Monte Carlo simulation. An overall reserve factor of the concept with inner pressure 0,02 MPa is determined as 1,21. An overall reserve factor of the concept with inner pressure 0,03 MPa is determined as 1,20. The weight of the concept for inner pressure 0,03 MPa is though 4 times bigger than the weight of the concept for inner pressure 0,02 MPa. In the concept for inner pressure 0,02 MPa the maximum value of HMH stress in aluminium components is critical, stochastically considered material properties of the honeycomb core don’t have a significant influence on this value. In the concept for inner pressure 0,03 MPa the value of maximum shear stress on the glued areas between aluminium face sheets and the honeycomb core is critical, stochastically considered material properties of the honeycomb core have a significant influence on this value. In the concept for inner pressure 0,03 MPa an absolute error of overall reserve factor is 8 % (overall reserve factor calculated deterministically was 1,28) which is significant. Monte Carlo simulation is also used to find that the value of Poisson ratio XY of the honeycomb core doesn’t have statistically significant influence on all limit states. Value of the reserve factor of the honeycomb core is higher than 2 in both concepts. Monte Carlo simulation discovers that this value can be significantly lower. Using Tsai-Wu failure criteria the reserve factor in the concept for inner pressure 0,02 MPa is determined as 2,72 deterministically x 2,41 stochastically (absolute error 31 %), in the concept for inner pressure 0,03 MPa the reserve factor is determined as 6,85 deterministically x 6,17 stochastically (absolute error 68 %).
Description
Keywords
přetlakovatelný habitat, výřez v sendvičovém panelu, voštinové jádro, optimalizace hmotnosti, metoda konečných prvků, deformačně-napěťová analýza, simulace metodou Monte Carlo, overpressure habitat, functional ending of the sandwich panel, honeycomb core, design optimalization, finite element method, stress-strain analysis, Monte Carlo method simulation
Citation
SLÁMA, D. Pevnostní posouzení konstrukce výřezu dveří přetlakovatelného habitatu pro extrémní prostředí [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2017.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Inženýrská mechanika a biomechanika
Comittee
prof. Ing. Vladislav Laš, CSc. (předseda)
Ing. Milan Roučka, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
prof. Ing. Přemysl Janíček, DrSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Koňas, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc. (člen)
Date of acceptance
2017-06-14
Defence
Student v prezentaci představil odborné komisi svou diplomovou práci. Po prezentaci byly přečteny posudky vedoucího a oponenta diplomové práce a student odpovídal na jeho dotazy. Komise celé jeho vystoupení hodnotila jako výborné.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení