Моделирование конструктивных элементов балочного типа на этапах жизненного цикла космических приборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Газизов, Станислав Галимзянович

• Газизов, Станислав Галимзянович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Газизов, Станислав Галимзянович

Введение.

1. Конструктивные элементы прецизионных космических приборов.

1.1. Особенности конструкции прецизионных космических приборов

1.2. Основные этапы жизненного цикла космических приборов.

1.3. Методы расчета конструктивных элементов балочного типа

1.4. Расчет конструктивных элементов с использованием средств компьютерного моделирования.

1.5. Постановка цели и задачи исследования.

2. Математические модели поведения конструктивных элементов балочного типа в характерных условиях жизненного цикла космических приборов.^.

2.1. Расчетные модели анализа статических деформаций балочных конструкций.

2.1.1. Численная схема расчета изгибных упругих деформаций балочных элементов.

2.1.2. Численная схема расчета изгибно-крутильных упругих деформаций балочных элементов.

2.1.3. Численная схема расчета термодеформаций балочных элементов.

2.2. Расчетные модели для анализа динамических деформаций балочных конструкций.

2.2.1. Нестационарные уравнения изгибных деформаций балочных элементов.

2.2.2. Численная схема нахождения собственных форм и частот изгибных колебаний.

2.2.3. Схема построения амплитудно-фазовых частотных характеристик.

2.2.4. Учет нестационарных изгибно-крутильных деформаций балочных элементов.

2.2.5. Алгоритм расчета нестационарного напряженно-деформированного состояния балочных элементов при кратковременных нагрузках.

2.3. Численная схема расчета упруго-пластических микродеформаций балочных элементов оптико-механических приборов.

2.4. Обобщенная модель для комплексного анализа конструктивных элементов балочного типа.

3. Комплексный анализ и оптимизация параметров сложных консольных элементов в течение жизненного цикла космических приборов.

3.1. Описание объекта исследования.

3.2. Анализ напряженно-деформированного состояния балочных элементов при стартовых квазистатических перегрузках.

3.3. Анализ напряженно-деформированного состояния балочных элементов при стартовых динамических перегрузках.

3.4. Анализ микродеформаций балочных элементов на этапе летной эксплуатации.

3.4.1. Изменение формы балочного элемента в при разгрузке от силы тяжести.

3.4.2. Анализ микроколебаний в балочных элементах при микровозмущениях.

3.4.3. Изменение формы элемента при изменении поля температуры

3.5. Оптимизация консольного элемента по частотным критериям.

4. Идентификация модели кронштейна оптико-механического блока камеры поля космического телескопа.

4.1. Анализ конструкции оптико-механического блока камеры поля

4.2. Модель кронштейна оптико-механического блока камеры поля в конечно-элементной 3D CAE системе.

4.3. Анализ адекватности математической модели консольного балочного элемента.

4.4. Идентификация поправочного коэффициента консольного элемента открытого профиля.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование конструктивных элементов балочного типа на этапах жизненного цикла космических приборов»

Объектом исследования являются конструктивные элементы балочного типа со сложной геометрией, используемые в оптико-механических и других прецизионных приборах космического базирования.

Предметом исследования являются математические модели с распределенными параметрами, описывающие упругие и малые упруго-пластические деформации балочных элементов в одномерном приближении для основных этапов жизненного цикла космических приборов и сводящиеся к краевым задачам для систем обыкновенных дифференциальных уравнений четвертого порядка по пространственной переменной.

Актуальность темы.

Повышение точности прецизионных космических приборов и особенно оптических систем наблюдения связано с одновременным учетом и анализом все более широкого числа влияющих на нее факторов. При этом непосредственно к эксплуатационным факторам на этапе летного функционирования прибора добавляются "перегрузочные" факторы, характеризующие этап вывода прибора на орбиту. Общая тенденция к созданию жестких и прочных космических конструкций приводит к увеличению количества используемых в них элементов стержневого и балочного типа. На ранних этапах проектирования выбор механических параметров элементов прецизионного прибора должен производиться из комплексного анализа функционирования элемента в течение всего жизненного цикла, при этом целесообразно использовать упрощенные модели, отражающие определяющие зависимости и пренебрегающие второстепенными. В таких моделях использование идеологии теории подобия позволяет большинство конструктивных параметров связать друг с другом аналитически через безразмерные критерии подобия. В результате комплексный анализ и оптимизация могут быть проведены по значительно меньшему количеству критериев подобия в сравнении с исходными конструктивными параметрами элементов прецизионного прибора.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на методах теории упругости и пластичности, теории колебаний, математического моделирования, на разработке пакетов прикладных программ с привлечением соответствующего математического аппарата и вычислительной техники.

Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными численными исследованиями кронштейна оптико-механического блока камеры поля космического телескопа при основных условиях его жизненного цикла, в ходе которых составлена математическая модель, проведено компьютерное моделирование и выполнена идентификация параметров модели.

В работе систематизирован и на основе единой математической формализации представлен общий подход к эффективному комплексному анализу и оптимизации механических параметров конструктивных элементов балочного типа прецизионных приборов космического базирования на основных этапах их жизненного цикла, учитывающих статические и динамические перегрузки, остаточную разъюстировку, термодеформации, микроколебания, функционирование в условиях микрогравитации и другие факторы.

Практическая ценность. Представленные модели и их компьютерные реализации позволяют решать широкий круг задач комплексного анализа и оптимизации механических параметров конструктивных элементов балочного типа прецизионных приборов космического базирования.

С ее помощью проведен комплексный анализ и оптимизация определяющих конструктивных параметров кронштейна оптико-механического блока камеры поля космического телескопа. Работа выполнялась в соответствии с планом хоздоговорных работ Научно-технического центра "Восход" в области космического приборостроения. Результаты работы 7 использованы при выборе конструктивных параметров макета оптико-механического блока камеры поля.

Целью работы является научно обоснованный выбор единой математической модели для комплексного анализа и оптимизации механических параметров конструктивных элементов балочного типа прецизионных (включая оптико-механические) космических приборов с учетом условий их функционирования на основных этапах жизненного цикла.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Газизов, Станислав Галимзянович

Основные результаты и выводы по работе:

1. Сформулирована задача комплексного анализа и оптимизации параметров конструктивных элементов балочного типа на основных этапах жизненного цикла прецизионных оптико-механических приборов.

2. Выбрана и реализована методика комплексного анализа и оптимизации параметров конструктивных элементов балочного типа, основанная на единой математической модели.

3. Проведен комплексный анализ параметров и условий функционирования макета кронштейна оптико-механического блока камеры поля космического телескопа. Получено:

- Максимальные статические напряжения при нагрузке 40g составили 3.46 МПа; максимальные динамические напряжения при той же нагрузке, действующей в течении четверти периода низшей резонансной частоты - соответственно 6,18 МПа. Данные значения заведомо не критичны к стартовым перегрузкам.

- Микродеформации, возникающие при разгрузке от силы тяжести (максимальные прогиб 9,03-10-7 м и угол наклона 5,29-106рад) и под действием перепада температур в ГС (максимальные прогиб 9,12 • 10"7м и угол наклона 1,23 - Ю-6рад) приводили к смещению луча на детекторе светоприемника оптико-механического блока соответственно на 3,4мкм и 0,42мкм. При этом луч не выходил за пределы области пиксела (размером 20 мкмх20 мкм) приемной ПЗС матрицы детектора. Для первых трех собственных частот колебаний кронштейна 689Гц, 2816Гц и 6917Гц уровни допустимых гармонических микровозмущений, приходящих через посадочные места прибора соответственно составили 1,32 • Ю-7^, 1,38 • 10"6 £ и 1,33-10"^, что удовлетворяет требованиям технического задания.

4. Проанализирована задача о возможном влиянии остаточных микропластических деформаций, возникающих в процессе стартовых перегрузок или в случае слабо нелинейной зависимости напряжения от деформации, на разъюстировку оптико-механических элементов.

5. Показано, что построенная методика комплексного анализа с небольшой коррекцией может быть использована и при оптимизации основных параметров балочных элементов с открытым П-образным профилем сечения. Для расчета частот колебаний такого балочного элемента из плоскости симметрии получено аналитическое выражение для поправочного коэффициента в виде линейной зависимости от отношения высоты профиля Н к толщине стенки Ь: Кр = 0,1335 • (Я !Н) + 0,7949.

6. Для повышения быстродействия и эффективности комплексной оптимизации конструктивных параметров элементов балочного типа приведена методика понижения размерности задачи оптимизации с помощью использования методологии теории подобия. В проведенной частотной оптимизации макета кронштейна оптико-механического блока камеры поля количество независимых варьируемых параметров было уменьшено примерно в 7 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе приведено научное обоснование выбора единой математической модели, алгоритмов программ и полученных результатов расчета для комплексного анализа и оптимизации механических параметров конструктивных элементов балочного типа прецизионных (включая оптико-механические) космических приборов с учетом особенностей условий их функционирования на основных этапах жизненного цикла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Газизов, Станислав Галимзянович, 2000 год

1. Акуленко Л.Д., Костин Г .В., Нестеров C.B. Численно-аналитический метод исследования свободных колебаний неоднородных стержней // Известия АН СССР Механика твердого тела. -1995. -№5. -С.45-48.

2. Акуленко Л.Д., Нестеров C.B. Эффективное решение задачи о продольном изгибе неоднородного стержня // Известия РАН Механика твердого тела. -1998. -№2. С.76-81.

3. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич JIM. и др. Теории подобия и размерностей. Моделирование. М.: Высшая школа, 1968. -208 с.

4. Александров В.В., Степаненко Н.П., Трифонова A.B. Стабилизация нестационарных вращений центрифуги с упругой консолью // Известия РАН Механика твердого тела. -1997. -№5. С. 180-191.

5. Алешков М.Н., Жуков И.И. Физические основы ракетного оружия. М.: Воениздат, -1965.- 464 с.

6. Аминов В.Р. Об определении динамических характеристик упругого космического аппарата по данным частотных испытаний // Космические исследования, 1992. -Т.30 Вып.1 - С.25-38.

7. Андреев-Андриевский А.Е. Расчет пластического изгиба консольной балки при больших перемещениях П Известия РАН Механика твердого тела.-1998.-№6. С.156-159.

8. Бабаков И.М. Теория колебаний. -М.: Наука, 1965. -559 с.

9. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. 448 с.

10. Баничук Н.В., Карпов И.И., Климов Д.М. и др. Механика больших космических конструкций -М.: Факториал, 1997. -302 с.

11. Баничук Н.В. Некоторые задачи оптимального проектирования упругих балок для классов сил // Известия АН СССР Механика твердого тела. -1973. -№5. -С.66-70.

12. Баничук H.B. Определение оптимальных форм упругих криволинейных стержней // Известия АН СССР Механика твердого тела. -1975. -№6. -С.39-42.

13. Бартеньев О.В. Фортран для студентов.— М.: Диалог-МИФИ, 1999. — 400 с.

14. Бейко И.В., Бублик Б.И., Зинько П.Н. Методы и алгоритмы решения задач оптимизации. -К.: Вища школа, 1983. -512 с.

15. Бузлаев Д., Данилин А., Зуев Н. и др. UAI/NASTRAN анализ прочности и динамики конструкций // САПР и графика, 1998. -№1. - С.60-62.

16. Вандерплаац Г.Н. Оптимизация конструкций прошлое, настоящее и будущее // Аэрокосмическая техника. -1986. -№8 -С.43-52.

17. Васидзу К. Вариационные методы в теории пластичности и упру-гости.М.: Мир, 1987. 542 с.

18. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни. -М.: ГИФМЛ, 1959. -568 с.

19. Газизов С.Г., Шишаков К.В. Расчет и оптимизация конструктивных параметров упругих элементов технических систем // Газоструйные импульсные системы: Сб. ст. В 2 Т. Ижевск: Издво ИжГТУ, 2000. Т.2.С.207-226.

20. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. -М.: Мир, 1985. -509 с.

21. Грачев В.А., Найштут Ю.С. Расчет пространственных каркасов из прямолинейных анизотропных стержней // Известия РАН Механика твердого тела. -1996. -№3. -С.97-101.

22. Гуляев В.И., Ефремов И.С., Чернявский А.Г. и др. Динамика протяженной фермы орбитальной станции // Космические исследования, 1994. -Т.32 Вып.2 - С.61-71.

23. Дементьев Г.П. и др. Физико-технические основы создания и применения космических аппаратов / Г.П. Дементьев, А.Г. Захаров, Ю.К. Ка-заров. -М.: Машиностроение, 1987. -264 с.

24. Джуанг Дж.тН. Оптимальное проектирование пассивного вибропоглотителя для решетчатой балки // Аэрокосмическая техника. -1985. -Т.З №6. -С.120-128.

25. Евсеев Е.Г. Морозов Е.В. Неплоская деформация неплоского кругового тонкостенного композитного стержня при динамическом нагруже-нии // Известия РАН Механика твердого тела. -1994. -№5. -С. 159-168.

26. Ефремов С.М., Газизов С.Г. Моделирование и оптимизация формы консольного элемента камеры поля // Тез. докл. XXXI научно-технической конференции ИжГТУ (Ижевск, 15-17 апреля 1998г.). -Ижевск: Изд. ИжГТУ, 1998. С.114-116.

27. Ефремов С.М., Газизов С.Г., Шишаков К.В. Решение некоторых задач оптимизации одномерных моделей упругих элементов приборов // Изв. вузов. Авиационная техника, -2000. №2. -С.60-62.

28. Жеков К. Автоматизация инженерных расчетов // САПР и графика, 1998. -№11. С.47-53.

29. Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Прикладные методы в теории колебаний. -М.: Наука, 1988. 326 с.

30. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. -М.: Мир, 1975. -543 с.

31. Ивович В.А. Переходные матрицы в динамике упругих систем: Справочник. -М.: Машиностроение, 1981.-183 с.

32. Кийко И.А., Чарухчев А.Д. Устойчивость упругопластического стержня переменного поперечного сечения // Известия РАН Механика твердого тела, -1992. -№5. -С. 170-174.

33. Кийко И.А., Чарухчев А.Д. Оптимизационные задачи в изгибе и устойчивости упругопластических стержней // Известия РАН Механика твердого тела, -1991. -№6. -С.156-159.

34. Коваленко А.Д. Термоупругость. -Киев: Вища школа, 1975. -216 с.

35. Кокс, Линднер. Активное подавление колебаний гибкой балки с использованием волоконно-оптического датчика модального принципа действия//Современное машиностроение, Сер.Б. 1991. -№10. -С.55-70.

36. Кулиев С.А. Изгиб круглого кольцевого бруса с прямолинейными вырезами // Известия РАН Механика твердого тела. -1995. -№6. С.65-68.

37. Кузьмин B.C., Федосеев В.И. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов: опыт разработки, проблемы и тенденции // Оптический журнал. -1996.-№7. -С.4-9.

38. Ленк А., Ренитц Ю. Механические испытания приборов и аппаратов. -М.: Мир, 1976. -270 с.

39. Лоу К.Х. Расчет собственных параметров балки, прикрепленной к упругозащемленной ступице на одном конце и несущей сосредоточенную массу на другом // Современное машиностроение, Сер.Б. 1991. -№3. -С.40-43.

40. Маниканахалли, Крокер. Виброгасители для балок с гистерезис-ным демпфированием, нагруженных массами // Современное машиностроение, Сер.Б. 1991. -№5. -С.104-110.

41. MATHCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95./ Пер. с англ. М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1996. -712 с.

42. Машиностроение. Энциклопедия / Под ред. Колесникова К.С. Т 13. Кн.1 -М.: Машиностроение, 1994. -534 с.

43. Машиностроение. Энциклопедия / Под ред. Колесникова К.С. Т 13. Кн.2 -М.: Машиностроение, 1995. -624 с.

44. Молин С.М. Устройство для виброиспытаний Пат. №2138792 РФ//Б.И., 1999. №27.

45. Мураками К., Сато X. Виброхарактеристики балки на опоре с зазором // Современное машиностроение, Сер.Б. 1991. -№3. -С.51-58.

46. Hyp Г.С., Райан P.C. и др. Динамика больших космических конструкций и управление ими // Аэрокосмическая техника. -1985.-№6 -С. 129147.

47. Оптико-механические и оптико-электронные приборы: Межвуз. сб. науч. тр. / Новосиб. ин-т инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии. -Новосибирск: НИИГАИК, 1989. -126 с.

48. Оптические и инфракрасные телескопы 90-х годов: Пер. с англ./Ф. Джиллет, А. Лабейри, Дж. Нельсон и др.; под ред. А. Хьюит.М.: Мир, 1983. 296 с.

49. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. -JI.: Машиностроение, 1976.-320 с.

50. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. -М.: ГИФМЛ, 1960. -190 с.

51. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем: Современные концепции, парадоксы и ошибки. -М.: Наука, 1987. -352 с.

52. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. -Киев: Наукова думка,1975. -704 с.

53. Потемкин В.Г. Система MATLAB 5 для студентов. Справочное пособие. — М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1998. — 314 с.

54. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчётов MATL AB 5.x: В 2-х т.: Том 2. —М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. — 304 с.

55. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. М. Машиностроение, 1968. Т.1. 832 с.

56. Ржаницын А.Р. Строительная механика. -М.: Высшая школа, 1991. -439 с.

57. Редько С.Ф., Ушкалов В.Ф., Яковлев В.П. Идентификация механических систем. Определение механических характеристик и параметров-Киев: Наукова думка, 1985.216 с.

58. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Регсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн.2. Пер. с англ. -М.: Мир, 1986.320 с.

59. Светлицкий В.А. Механика гибких стержней и нитей. -М.: Машиностроение, 1978. -222 с.

60. Светлицкий В.А. Механика стержней 4.2 Динамика. -М.: Высшая школа, 1987. -304 с.

61. Светлицкий В.А. Стационарные колебания стержней, вызванные случайным кинематическим возбуждением // Известия РАН Механика твердого тела. -1994. -№5. -С.170-174

62. Сиразетдинов Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. -М.: Наука, 1977. 479 с.

63. Современные телескопы: Под ред. Дж. Бербиджа, А. Хьюит / Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 312 с.

64. Справочник по авиационным материалам М.: Машиностроение, 1965. Т.2. Часть 1.455 с.

65. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. -М.: Машиностроение, 1985. -172 с.

66. Троицкий В.А., Петухов Л.В, Оптимизация формы упругих тел. М.: Наука, 1982. 432 с.

67. Турчак Л.И. Основы численных методов. -М.: Наука, 1987. 320 с.

68. Усюкин В.И. Строительная механика конструкций космической техники. -М.: Машиностроение, 1988. -392 с.

69. Фаронов В. В. Программирование на персональных ЭВМ в среде Турбо-Паскаль. -2-е изд. -М.: Изд-во МГТУ, 1992. -448 с.

70. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформированного тела. Т III.- М.: Наука, 1981. 480 с.

71. Филиппов А.П. Колебания деформируемых систем. -М.: Машиностроение, 1970. -736 с.

72. Фортран 77 ЕС ЭВМ / З.С. Брич, О.Н. Гулецкая, Д.В. Капилевич и др. —М.: Финансы и статистика, 1989. — 351 с.

73. Фортран 90. Международный стандарт / Пер. с англ. С.Г. Добрышева; Редактор перевода А.М. Горелик. — М.: Финансы и статистика, 1998. — 416 с.

74. Хабиб, Радклифф. Активное параметрическое демпфирование поперечных колебаний балки с распределенными параметрами // Современное машиностроение, Сер.Б. 1991. -№8. С. 116-121.

75. Хафтка Р.Т., Адельман Г.М. Исследование возможности управления формой больших космических конструкций с помощью нагрева // Аэрокосмическая техника. 1985.-№12 -С.77-86.

76. Хебер К.Ф., Барберис Н. Дж. Краткие итоги разработки спутников "Интелсат V" // Аэрокосмическая техника. -1984. №10 -С.115-124.

77. Хронин Д.В. Колебания в двигателях летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1980. -296 с.

78. Челомей В.Н. / Избранные труды -М.: Машиностроение, 1989. -336 с.

79. Шефер Б.Е., Хользак X. Экспериментальное исследование модального управления упругой балкой // Аэрокосмическая техника. 1986.-№8 -С.43-51.

80. Шехтер Д.Б., Элдред Д.Б. Эксперимент по управлению нежесткой конструкцией// Аэрокосмическая техника. 1985.-№6 -С. 158-168.

81. Шишаков К.В., Газизов С.Г. Анализ управления малым спутником при аэродинамической, гравитационной и активной стабилизации // Космические исследования, 1999. №3. -С. 296-306.

82. Шишаков К.В., Газизов С.Г. Коррекция аберраций космического телескопа по функционалам интенсивности при превышении размеров ячеек регистрации над пятном фокусировки // Оптический журнал, 2000. -№5. -С.78-80.

83. Dormand, J. R. and P. J. Prince, "A family of embedded Runge-Kutta formulae," J. Comp. Appl. Math., Vol. 6. 1980. PP.19-26.

84. Plum Th. Learning to program in C. — Plum Hall Inc., 1983. 219 p.