Разработка расчетно-экспериментальной методики проектирования фермы стенда для функциональных испытаний ракетных конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат технических наук Мусатов, Виталий Александрович

• Мусатов, Виталий Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мусатов, Виталий Александрович

Введение.

1. Взаимодействие стенда с объектами испытания - боковым и центральным блоками ракеты-носителя (РН).

1.1. Обеспечение соответствия стендовых испытаний полетным условиям РН.

1.2. Конструктивно-технологическое решение фермы стенда.

1.3. Обзор литературы.

1.4. Постановка задачи.

2. Математическое моделирование стенда.

2.1. Движение объектов при испытании.

2.2. Выбор проектных параметров фермы.

2.3. Конечно-элементная модель ферменной конструкции стенда: нелинейная статика и линейная динамика.

2.4. Конечно-элементные модели типовых сварных узлов фермы: нелинейная статика и нелинейная динамика.

2.5. Комплексный программно-экспериментальный анализ стенда.

3. Анализ напряженно-деформированного состояния ферменной конструкции стенда.

3.1. Расчет фермы на прочность, устойчивость и колебания.

3.2. Расчет фермы на действие ударной нагрузки.

3.3. Расчет типовых сварных узлов фермы на прочность.

3.4. Расчет сварного узла фермы при ударной нагрузке.

4. Экспериментальное исследование несущей способности типовых сварных узлов фермы.

4.1. Типовые сварные узлы фермы.

4.2. Программа статических испытаний.

4.3. Результаты испытаний.

4.4. Сравнение расчета и эксперимента.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка расчетно-экспериментальной методики проектирования фермы стенда для функциональных испытаний ракетных конструкций»

Стенды для испытаний конструкций летательных аппаратов, в отличие от широкой номенклатуры испытательных стендов машиностроительной отрасли, имеют значительные размеры и массы, подвергаются более высоким статическим и динамическим нагрузкам. Поэтому они относятся, согласно классификации [1], к специальному оборудованию. В ракетной технике такие стенды называют негабаритными. Они проектируются и изготавливаются под специальные программы испытаний.

При. разработке новой ракетной техники в целях снижения временных и материальных затрат в настоящее время применяется параллельный инжиниринг, когда проектирование, расчет, поиск технологии выполняются одновременно. При таком комплексном подходе возрастает роль экспериментальных исследований и наземных натурных испытаний. С помощью современного специально создаваемого оборудования удается проверить надежность всей конструкции ракеты и надежность функциональных срабатываний ее систем.

Одним из важных факторов успешного запуска, ракет-носителей (РН) является срабатывание в полете системы разделения боковых и центрального блоков РН пакетной схемы, которое должно выполняться строго по заранее заданной программе, чтобы гарантировать безударное разделение. Иначе при отстреле боковые блоки могут ударить по центральному, повредить его и изменить траекторию РН. Поэтому необходимо проверить работоспособность системы разделения в наземных условиях. Для этого создается специализированное оборудование для испытаний - негабаритный стенд. Тема диссертации напрямую связана с разработкой таких стендов, что свидетельствует о ее актуальности.

Цель работы — создание расчетно-экспериментальной методики проектирования и изготовления силовой части (фермы) негабаритного стенда с несущей способностью, достаточной для динамических испытаний ракетных конструкций.

Объект, предмет и методы исследования. Объектом исследования является силовая ферма негабаритного испытательного стенда, собранная сваркой из металлических профилей: швеллеров и уголков. Предмет исследования - несущая способность фермы стенда и типовых сварных узлов. Методы исследования - теория деформируемого твердого тела, метод конечных элементов, экспериментальные исследования.

Научная новизна работы.

1. Разработана1 расчетная схема сборно-сварной фермы стенда для испытания системы, разделения блоков РН' на основе конечно-элементной модели в линейной- и нелинейной постановках с учетом статического, и .динамического нагружений.

2. Разработаны расчетные схемы типовых сварных узлов фермы на основе конечно-элементных моделей в линейной и нелинейной постановках с учетом статического и ударного нагружений.

3. Сформирован вычислительный блок Б С с использованием аналитических зависимостей для проектировочных расчетов профилей, сварных узлов фермы и крепежных элементов.

4. Разработаны программа испытаний и конструкции образцов, на которых проведены испытания на прочность типовых сварных узлов.

5. Экспериментально и численно исследовано влияние на несущую способность сварных узлов фермы угла между элементами жесткости (профилями), взаимного расположения в узле швеллеров и уголков, направления внешних сил, а также механизма разрушения сварного узла.

6. Дан анализ воздействия нагруженной фермы стенда на пол и колонны статзала для испытаний при имитации рабочих нагрузок на РН.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика определения несущей способности сборно-сварной фермы негабаритного стенда при действии статической и ударной внешних нагрузок.

2. Методика расчета типовых сварных узлов фермы на прочность.

3. Результаты численных исследований фермы на прочность, устойчивость и колебания.

4. Результаты экспериментальных и численных исследований несущей способности типовых сварных узлов фермы.

5. Расчетно-экспериментальная оценка влияния углов между профилями, их взаиморасположения, направления нагрузки, механизма разрушения на несущую способность сварных узлов фермы.

6. Частотный и силовой анализ системы изделие — ферма — пол статзала — колонны статзала.

Достоверность и обоснованность основных научных положений, выводов и.рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечиваются, полнотой учета факторов, влияющих на несущую способность фермы, применением математических моделей, основанных на классических соотношениях теории упругости и пластичности, строительной механике летательных аппаратов, и согласованностью теоретических результатов с данными экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы определяется предложенным конструктивно-технологическим решением сборно-сварной фермы негабаритного специализированного стенда, инженерной методикой оценки несущей способности фермы стенда и сварных узлов, результатами численного и экспериментального исследований конструкции фермы и сварных узлов, выявленной зависимостью прочности сварного соединения профилей от углов между ними; использованием результатов работы в конструкции реального испытательного стенда.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на конференциях:

1)ХУП Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», г. Севастополь, 2010. Мусатов В.А., Егоров В.Н. Обеспечение соответствия динамических испытаний конструкций летательных аппаратов полетным нагрузкам;

2) VIII Международной конференции NPNJ, 25-31 мая 2010 г., г. Алушта, Крым. Егоров В.Н., Мусатов В.А. Особенности математического моделирования динамических процессов на негабаритных стендах;

3) 30-й Ежегодной научно-практической конференции «Композиционные материалы в промышленности», 3-10 июня 2010 г., г. Ялта, Крым. Мусатов В.А., Егоров В.Н. Конструктивно-технологические решения в стендовом оборудовании для аэрокосмической техники;

4) Восемнадцатой международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 4-8 октября 2010 г., г. Ялта, Крым. Мусатов В.А. Контроль при. изготовлении, сварной ферменной конструкции протяженного испытательного стенда;

5) 9-й Международной конференции «Авиация и космонавтика—2010», г.Москва, 16-18 ноября 2010 г. Мусатов В.А. Технология изготовления сборно-сварной фермы стенда для испытания в динамике ракетных конструкций;

6) XVII Международной конференции ВМСППС'2011, Алушта, Крым, 25-31 мая 2011 г. Мусатов В.А. Численный анализ напряженного состояния высоконагруженного испытательного стенда;

7) 31-й Ежегодной научно-практической конференции «Композиционные материалы в промышленности», 6—10 июня 2011 г., г. Ялта. Мусатов В.А. Технология изготовления стендов для испытаний конструкций летательных аппаратов.

Публикации. Основное содержание и результаты диссертации изложены в 10 публикациях, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованной литературы из 60 наименований. Объем диссертации составляет 103 страницы основного текста и 12 страниц приложений.

Заключение диссертации по теме «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», Мусатов, Виталий Александрович

8. Результаты работы внедрены в ГК НПЦ им. М.В. Хруничева в конструкцию стенда для испытания системы разделения центрального и бокового блоков ракеты-носителя пакетной схемы.

В заключение по работе можно сделать следующие выводы.

1. Разработана методика проектирования сборно-сварной фермы стенда для ответственных испытаний ракетных конструкций, включающая проектировочный расчет (выбор профилей, длины и катета сварных швов, крепежных элементов), частотный и прочностной анализ фермы, статический и динамический расчет сварных узлов и их экспериментальную проверку.

2. Разработанные конечно-элементные модели фермы, состоящей из. профилей (швеллеров и уголков), и типовых сварных узлов- фермы применены для решения задач статики и динамики в линейной и физически и геометрически нелинейной постановках.

3. Для заданных на ферму статических и ударных нагрузок путем численных расчетов были определены усилия и перемещения стержней фермы и напряженно-деформированное состояние сварных узлов, что позволило оценить несущую способность спроектированной сварной конструкции фермы и сделать вывод о ее надежности.

4. Анализ собственных частот колебаний системы изделие — ферма — пол статзала — колонны статзала подтвердил, что резонансов в системе не будет при функциональных испытаниях ракетных конструкций.

5. Расчет на устойчивость фермы показал, что коэффициенты местной и общей потери устойчивости составляют 3 и 7 соответственно; этого запаса по устойчивости достаточно для требуемой несущей способности фермы.

6. Исследовано напряженно-деформированное состояние типовых сварных узлов фермы в зависимости от геометрии узла (угол между профилями, взаимное расположение швеллеров и уголков) и от вида и направления внешней нагрузки. Получено, что рациональные углы установки уголков-раскосов соответствуют 30°-Н50°, наклонные уголки целесообразно располагать боковой полкой вверх, зоны разрушения в статике и динамике совпадают, в механизме разрушения У-образных сварных узлов присутствует вязкое и хрупкое разрушение, что также подтверждено в ходе эксперимента.

7. На основе разработанной программы испытаний было проведено экспериментальное исследование ряда типовых сварных узлов фермы, подтвердившее работоспособность спроектированной конструкции фермы и достоверность конечно-элементного расчета сварного узла швеллер — уголок (30°), погрешность расчета которого составила 5 %.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мусатов, Виталий Александрович, 2011 год

1. Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов / В.А. Афанасьев, B.C. Барсуков, М.Я. Гофин, Ю.В. и др.; под ред. Н.В. Холодкова. М.: Изд-во МАИ, 1994. 412 с.

2. Сварные строительные конструкции: Справочник: в 3 т. /

3. B.Н. Шимановский, Э.Ф. Гарф, В.А. Пермяков и др.; под ред. JI.M. Лобанова. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1997. Т.2. Типы конструкций. 680 с.

4. Поливанов A.A. Расчет оптимальных геометрических характеристик о бол очечных конструкций при статическом нагружении // Современные проблемы науки и образования. 2009. № 6. С. 111-115.

5. Григолюк Э.И., Чулков /7.77. Устойчивость и колебания трехслойных оболочек. М.: Машиностроение, 1973. 172 с.

6. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций их композиционных материалов: учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 516 с.

7. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. 272 с. (Б-ка расчетчика).

8. Испытания ракет С.П. Королева на стендах НИИХИММАШ ФКА РФ ФГУП «НИИХИММАШ» / под ред. A.A. Макарова. Пересвет, Сергеево-Посадский р-н Моск. обл., 2007. 189 с.

9. Андрейчук О.Б., Малахов H.H. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982.

10. Методы динамических расчетов и испытаний тонкостенных конструкций / A.B. Кармишин, А.И. Жуков, В.Г. Колосов и др.; под ред. A.B. Кармишина. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

11. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов / Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьиков В.Ф. М.: Машиностроение, 1974.

12. Инженерные методы исследования ударных процессов / Батуев Г.С., Голубков Ю.В., Ефремов А.К., Федосов A.A. М.: Машиностроение, 1977.

13. Испытания жидкостных ракетных двигателей / А.Е. Жуковский, B.C. Кондрусев, В.Я. Левин, В.В. Окорочков. М.: Машиностроение, 1981.

14. Клюев В.В. Испытательная техника: Справочник: в 2 кн. М.: Машиностроение, 1982.

15. Микишев Г.Н. Экспериментальные методы в динамике космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1978.

16. Полу хин Д. А., Орещенко В.М., Морозов В. А. Отработка пневмогидросистем двигательных установок ракет-носителей и космических аппаратов с ЖРД. М.: Машиностроение, 1987.

17. Чернышев A.B. Проектирование стендов для испытания и контроля бортовых систем летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1983.

18. Технология сборки самолетов и вертолетов: учебник: в 2 т. / под ред. В.И. Ершова. Т. 1: Павлов В.В., Медведев Б.А., Хухорев B.C. Теоретические основы сборки. М.: Изд-во МАИ, 1993. 288 с.

19. Технология сборки самолетов и вертолетов: учебник: в 2 т. / под ред. В.И. Ершова. Т. 2: Ершов В.И., Каширин М.Ф., Павлов В.В. Автоматизация сборки и технологического проектирования. М.: Изд-во МАИ, 1998. 312 с.

20. Павлов Ю.И. Проектирование испытательных стендов для авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1979. 151 с.

21. Баженов В.К, Осин М.И., Захаров Ю.В. Моделирование основных характеристик и процессов функционирования космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1985.

22. Кошевой А.А. Телеметрические комплексы летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1975.

23. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности. М.: Машиностроение, 1987. 216 с. (Б-ка расчетчика).

24. Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия. Т. 10. Системный подход к сложным техническим объектам / К.С. Касаев, Г.А. Полтавец, В.В. Булавкин и др.; под ред. К.С. Касаева. М.: АО НИИ «ЭНЦИТЕХ», 1997. 454 с.

25. Жизненный цикл и реализация летательного аппарата / Б.В. Бойцов, В.Д. Борисов, Н.М. Киселев, В.Г. Подколзин. М.: Изд-во МАИ, 2005. 520 с.

26. Петров К.П. Аэродинамика транспортных космических систем. М.: Эдиториал УРСС, 2000. 368 с.

27. Прочность, колебания, ресурс авиационных конструкций: сб. статей. М.: Изд. отд. ЦАГИ, 2004. 326 с. (Труды / ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского; вып. 2664).

28. Прочность ракетных конструкций : учеб. пособие для вузов / В.И. Моссаковский, А.Г. Макаренков, П.И. Никитин, Ю.И. Саввин; под ред. В.И. Моссаковского. М.:.Высш.шк., 1990. 358 с.

29. Винокуров В.А., Куркин С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и сварные конструкции / под ред. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение, 1996. 576 с. (Основы проектирования машин).

30. ЪЪ. Штрикман М.М. Состояние и тенденции развития сварочных технологий в авиастроении // Технология машиностроения. 2000. № 3. С. 2331.

31. Влияние вращения дуги на качество шва при аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов / В.Н. Егоров, М.М. Штрикман, В.Ф. Митрофанов,

32. A.Н. Сабанцев //Авиационная промышленность. 1997. № 5-6. С. 48—51.

33. Дуговая сварка с воздействием на сварочную ванну направленных газоструйных потоков / М.М. Штрикман, A.C. Павлов, А.Н. Сабанцев,

34. B.Н. Егоров // Сварочное производство. 1999. № 12. С. 3-6.

35. Алешин Н.П., Чернышов Г.Г. Сварка. Резка. Контроль: Справочник: в 2-х т. М.: Машиностроение, 2004. 1104 с.

36. Навроцкий Д.И. Расчет сварных конструкций с учетом концентрации напряжений. М.: Машиностроение, 1968. 170 с.

37. Куркин С.А. Компьютерное проектирование и производство сварных конструкций. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 464 с.

38. Балабух Л.И., Алфутов И.А., Усюкин В'.И. Строительная механика ракет: учеб. для машиностроит. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1984. 391 с.

39. Прочность, устойчивость, колебания: Справочник: в 3 т. / под общ. ред. И.А. Биргера, Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968. Т. 1. 832 с.

40. Голубев И. С., Самарин A.B., Новосельцев В.И. Конструкция и проектирование летательных аппаратов: учеб. для авиац. техникумов / под ред. И.С. Голубева. М.: Машиностроение, 1995. 448 с.

41. Оболенский Е.П., Сахаров Б.И., Сибиряков В.А. Прочность летательных аппаратов и их агрегатов: учеб. для студентов авиац. специальностей вузов / под ред. И.Ф. Образцова. М.: Машиностроение, 1995. 504 с.

42. Окопный Ю.А., Радин В.П., Чирков В.П. Механика материалов и конструкций: учеб. для вузов. М.: Машиностроение, 2001. 408 с.

43. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций: учеб. пособие для студентов вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2003. 448 с.

44. Светлицкий В.А. Механика стержней: учеб. для втузов: в 2 ч. Ч. 1. Статика. М.: Высш. шк., 1987. 320 с.

45. Строительная механика летательных аппаратов: учеб. для авиац. Специальностей вузов / И.Ф. Образцов, JI.A. Булычев, В.В. Васильев и, др.; под ред. И.Ф. Образцова. М.: Машиностроение, 1986. 536 с.

46. Апуръев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т. / под ред. И.Н. Жестковой. 9-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2006. 2816 с.

47. Быковский О.Г., Петренко В.Р., Пешков В.В. Справочник сварщика. М.: Машиностроение, 2011. 336 с.

48. Баллистические ракеты и ракеты-носители: пособие для студентов вузов / О.М. Алифанов, А.Н. Андреев, В.Н. Гущин и др.; под ред. О.М. Алифанова. М.: Дрофа, 2004. 512 с.

49. Мусатов В.А., Абрамова Е.А., Егоров В.Н. Разработка конечно-элементной модели ферменного крупногабаритного стенда для динамических испытаний // Авиационная промышленность. 2011. № 1. С. 4649.

50. Оценка несущей способности сварной ферменной конструкции испытательного стенда / В.А. Мусатов, М.М. Штрикман, В.Н. Егоров, Е.А. Абрамова // Сварочное производство. 2011. № 5. С. 7-9.

51. Мусатов В.А. Напряженное состояние сварной ферменной конструкции динамического стенда // Авиационная промышленность. 2011. № 2. С. 55-57.

52. Мусатов В.А. Технология изготовления сборно-сварной фермы стенда для испытания в динамике ракетных конструкций // 9-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2010», г. Москва, 16-18 ноября 2010 г. М.: МАИ (ТУ), 2010. С. 135-136.

53. Мусатов В.А. Численный анализ напряженного состояния высоконагруженного испытательного стенда // Материалы XVIIмеждународной конференции ВМСППС'2011, Алушта, Крым, 25-31 мая 2011 г. М.: Вузовская книга, 2011. С. 375-377.