Разработка расчётной методики нагружения навесного приборно-агрегатного оборудования и узлов его крепления для типовых модулей долговременных орбитальных станций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.03, кандидат наук Золкин Станислав Николаевич

• Золкин Станислав Николаевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Золкин Станислав Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДИКА РАСЧЁТНОЙ АДАПТАЦИИ ДЕТАЛИЗИРОВАННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОБИТАЕМЫХ МОДУЛЕЙ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ

1.1. Принципы синтезирования расчётной динамической модели обитаемого модуля долговременной орбитальной станции с навесным оборудованием для исследования условий их нагружения

1.2. Численное моделирование динамического эксперимента

1.3. Применяемый способ систематизации и обработки результатов виброиспытаний

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА РАСЧЁТНЫХ МОДЕЛЕЙ ЛАБОРАТОРНОГО МОДУЛЯ И ЕГО ВИБРАЦИОННОЙ СБОРКИ И ИХ ВАЛИДАЦИЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

2.1. Разработка конечно-элементной модели лабораторного модуля

2.2. Формирование модели вибрационной сборки лабораторного модуля

2.3. Валидация разработанной КЭМ вибрационной сборки лабораторного модуля по результатам вибропрочностных испытаний

2.3.1. Схема проведения испытаний

2.3.2. Расчётное моделирование динамического эксперимента

2.3.3. Сопоставление расчёта и эксперимента

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ НАГРУЖЕНИЯ ПРИБОРНО-АГРЕГАТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ РКТ НА АКТИВНОМ УЧАСТКЕ ПОЛЁТА ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ, СЛУЧАЙНОМ ВИБРАЦИОННОМ И ГАРМОНИЧЕСКОМ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

3.1. Разработка конечно-элементной модели МБО

3.2. Формирование модели внешнего акустического воздействия в виде статистической модели со многими входами

3.3. Построение передаточных функций по перегрузкам для основных приборов и агрегатов при поверхностном возбуждении корпуса

3.4. Расчёт перегрузок приборно-агрегатного оборудования МБО при случайном вибрационном воздействии и сравнение с результатами расчёта перегрузок при акустическом нагружении конструкции

3.5. Расчёт перегрузок приборно-агрегатного оборудования МБО при гармоническом внешнем воздействии и сравнение с результатами расчёта перегрузок при акустическом и случайном вибрационном нагружении конструкции

3.6. Апробация представленной методики на примере модели агрегатного модуля

Стр.

3.7. Апробация представленной методики на примере модели лабораторного модуля

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕГРУЗОК ПРИБОРНО-АГРЕГАТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ МОДУЛЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ НА ОСНОВАНИИ ПРОВЕДЁННОГО АНАЛИЗА СВЯЗАННЫХ НАГРУЗОК ПРИ ВЫВЕДЕНИИ ОБЪЕКТА ТИПА ЛАБОРАТОРНОГО МОДУЛЯ С ПОМОЩЬЮ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ

4.1. Вычисление внутренних силовых факторов в интерфейсе РН-ЛМ

4.2. Расчёт перегрузок приборно-агрегатного оборудования лабораторного модуля при старте и при разделении ступеней

ГЛАВА 5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОТКЛИКА НА ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ И НАВЕСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО МОДУЛЯ В СОСТАВЕ МКС, А ТАКЖЕ НА БОРТУ МОДУЛЕЙ СМ И ФГБ, ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ

5.1. Сравнительный анализ динамических характеристик балочной модели конфигурации МКС с пристыкованным лабораторным модулем с характеристиками более ранней конфигурации

5.2. Проведение расчёта перегрузок на модулях РС и внутренних силовых факторов в интерфейсе лабораторный модуль - служебный модуль при стыковках транспортных кораблей к портам станции и работе космонавтов на велотренажёре

5.3. Проведение расчёта перегрузок на приборах лабораторного модуля при стыковках транспортных кораблей к портам станции и работе на велотренажёре

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка расчётной методики нагружения навесного приборно-агрегатного оборудования и узлов его крепления для типовых модулей долговременных орбитальных станций»

ВВЕДЕНИЕ

Определение режимов механического нагружения приборно-агрегатного оборудования изделий ракетно-космической техники (РКТ) является одной из наиболее важных задач, существенно влияющих на надёжность эксплуатируемых и разрабатываемых изделий. Узлы крепления навесного приборно-агрегатного оборудования разнообразны, встречаются как типовые, так и нестандартные. Изделия РКТ подвержены воздействиям различных типов. Виброакустическое воздействие вносит основной вклад в нагружение приборно-агрегатного оборудования и узлов его крепления.

В настоящей работе проводится расчётная оценка уровней перегрузок приборно-агрегатного оборудования и узлов его крепления на основных этапах эксплуатации лабораторного модуля (ЛМ).

Актуальность темы настоящей работы состоит в совершенствовании технологии разработки детализированных конечно-элементных моделей (КЭМ) типовых обитаемых модулей долговременных орбитальных станций (ДОС), а также в установлении методических особенностей при проведении расчётного анализа нагружения приборно-агрегатного оборудования и узлов его крепления для изделий подобного типа.

Вопрос отработки бортового оборудования изделий ракетно-космической техники на этапах штатной эксплуатации является актуальным как для эксплуатируемых конструкций, так и для вновь разрабатываемых, так как в случае механических повреждений или выхода из строя оборудования может возникнуть нештатная или аварийная ситуация. Пилотируемым изделиям при отработке уделяется особое внимание.

Численные методы и, в частности метод конечных элементов, положенный в основу исследований, представленных в работе, обозначены в литературе таких авторов, как Н.С. Бахвалов, О. Зенкевич, С.Г. Михлин, В.А. Постнов и Д.Г. Шимкович [4, 13, 35, 38, 50]. Основные законы и теоремы механики и теории упругости, используемые автором, рассмотрены в трудах А.С. Вольмира,

А.Л. Гольденвейзера, Л.С. Лейбензона, В.И. Феодосьева, Ван Цзи-Де и др. [10, 31, 47, 49].

Особенности динамических свойств жидкостных ракет с упругим корпусом и анализ динамических характеристик использованы в работе, основываясь на принципах, изложенных в литературе К.С. Колесникова [24]. Вопросы теории колебаний (в т.ч. случайных) и прикладной анализ случайных данных изучены в работах И.М. Бабакова, Дж. Бендата, С. Кренделла, А. Пирсола, С.П. Тимошенко,

A.А. Харкевича, Д.Х. Янга и др. [2, 6, 25, 42, 48]

Одной из основных проблем, рассматриваемых в работе, является оценка виброакустического нагружения приборно-агрегатного оборудования типовых конструкций РКТ, в частности космических аппаратов, установленных под головным обтекателем. Следует отметить, что акустические камеры для проведения испытаний находятся во ФГУП «ЦАГИ», ПАО «РКК «Энергия» и «ИСС» им. М.Ф. Решетнёва». Значительный вклад в изучение вопроса о влиянии акустического давления на аппаратуру и изделия РКТ, а также в изучение случайных колебаний конструкций внесли как отечественные так и зарубежные специалисты, в том числе А.В. Бобров, В.В. Болотин, Н.Ю. Введенский, И.Г. Кильдибеков, О.В. Кузнецов, Ю.М. Липницкий, Е.А. Лысенко, А.В. Мовчан,

B.И. Никитенко, П.Я. Носатенко, А.В. Сафронов, В.А. Светлицкий, В.В. Сидоров, Ю.А. Фёдоров, В.А. Хотулёв, У.А. Корде, С.А. Лэйн, Т. Энгберг и др. [7, 11, 26 -30, 32, 33, 36, 39 - 41, 51, 52, 54, 55, 57, 60, 62, 63, 66, 72, 73]. Используется методика выбора эквивалентных виброрежимов для отработки прочности малых космических аппаратов при акустических нагрузках применённая в работах В.В. Сидорова [41]. Для крупногабаритных обитаемых модулей долговременных орбитальных станций данная методика применена впервые.

Вопросы исследования динамического нагружения и формирования виброрежимов конструкций РКТ изложены в работах таких специалистов, как Ю.Г. Балакирев, А.Г. Бахтин, И.М. Безмозгий, В.А. Бужинский, С.С. Бобылёв, Н.Ю. Введенский, В.Я. Геча, В.Ф. Гладкий, А.И. Лиходед, А.А. Малинин, А.И. Мощенко, О.И. Охотников, С.А. Петроковский, А.Н. Софинский,

В.А. Фельдштейн, Ф.Н. Шклярчук, Р. Лохан, У. Томсон и др. [3, 5, 8, 9, 37, 59, 64, 65, 69, 71]. Исследованиям динамического отклика конструкции МКС значительное внимание уделяется в работах А.В. Анисимова, С.С. Бобылёва, А.И. Лиходеда, А.И. Мощенко, В.С. Межина, Д.А. Пономарёва, В.А. Титова, Р. Де-Ломбарда, М. Роджерс и др. [1, 43 - 46, 53, 58, 68, 70].

Степень разработанности темы

В настоящее время в России и за рубежом ведётся непрерывная работа по развёртыванию и эксплуатации Международной космической станции (МКС). Первоначальная программа развития Российского сегмента (РС) МКС представлена в [12, 58]. К настоящему моменту она частично реализована, например Малые исследовательские модули введены в эксплуатацию, некоторые находятся на завершающей стадии изготовления и вскоре будут готовы к выведению на орбиту (Многоцелевой лабораторный и Узловой модули). Но есть и некоторые изменения - вместо двух планируемых Научно-энергетических модулей в состав станции будет введён только один, производство которого находится на начальном этапе. Соответственно, необходимо расчётно-экспериментальное сопровождение разрабатываемых конструкций. В российской практике имеется опыт создания оболочечных моделей корпусов модулей ДОС с распределением массы навесного оборудования по силовым элементам конструкции. В настоящей работе представлена методика создания детализированных моделей. Разработанная модель лабораторного модуля отличается высокой степенью детализации для конструкций подобного типа.

Существуют нормативные режимы, нормирующие акустическое нагружение при помощи вибрационного. Однако, наземные испытания в акустических камерах, а также измерения, производимые на эксплуатируемых носителях, показывают необходимость уточнения и корректировки имеющихся нормативных режимов. Разработанная расчётная методика подтверждения прочности приборно-агрегатного оборудования при виброакустическом нагружении впервые применяется к подобным конструкциям. Данные задачи можно решать в специализированных расчётных комплексах по анализу акустического

нагружения конструкции таких, как ACTRAN [51] или SYSNOISE [60]. Однако пакет SYSNOISE требует создания модели в своей среде, а пакет ACTRAN может работать с моделями, созданными в среде программного комплекса NASTRAN, но поставляется разработчиком отдельно от базовой версии продукта.

Целями настоящей научной работы являются:

- совершенствование технологии разработки детализированных КЭМ типовых обитаемых модулей долговременных орбитальных станций при использовании задела по моделям корпуса родственных конструкций для сокращения времени и увеличения качества создания подобных моделей;

- уточнение методических основ расчётного анализа нагружения приборно-агрегатного оборудования на основных этапах штатной эксплуатации обитаемого модуля ДОС, в том числе при виброакустическом внешнем воздействии.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику создания детализированных конечно-элементных моделей типовых обитаемых модулей долговременных орбитальных станций на основе задела по имеющимся моделям корпуса родственных конструкций с учётом технологических особенностей конкретного изделия;

- разработать на основе указанной методики детализированную модель лабораторного модуля;

- выполнить валидацию расчётной динамической модели по результатам проведённых вибропрочностных испытаний;

- разработать методику расчётного анализа нагружения приборно-агрегатного оборудования на основных этапах штатной эксплуатации обитаемого модуля ДОС;

- выполнить расчёт перегрузок центров масс и узлов крепления приборно-агрегатного оборудования при основных этапах эксплуатации согласно разработанной методике.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- применительно к конструкциям модулей долговременных орбитальных станций с плотной компоновкой навесного оборудования впервые установлена допустимость замены отработки на акустические воздействия для этапа выведения эквивалентными виброиспытаниями с обеспечением запасов прочности за счёт выявленных отличий в 2-3 раза коэффициентов передачи нагрузок от корпуса к элементам приборов и агрегатов.

- за счёт математического моделирования и анализа переходных и стационарных процессов динамического нагружения в лабораторных и натурных условиях впервые обоснован порядок расчётно-экспериментальной виброотработки модуля долговременной орбитальной станции типа ФГБ с плотной компоновкой приборно-агрегатного оборудования при проведении испытаний на сборке, усечённой на 50% по длине относительно натурного объекта.

- с учётом и распространением результатов виброотработки на изделие в целом обосновано подтверждение запасов прочности узлов крепления оборудования лабораторного модуля (ЛМ) на этапах транспортирования, выведения на ракете-носителе «Протон-М» и орбитальной эксплуатации в составе МКС.

Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы:

- разработаны методики создания детализированных конечно-элементных моделей типовых модулей долговременных орбитальных станций и расчётного анализа нагружения их приборно-агрегатного оборудования, которые позволяют повысить качество математического моделирования и охватить все этапы штатной эксплуатации подобного класса изделий;

- обеспечены исходные данные по конструкции Российского сегмента (РС) МКС в сборе с ЛМ для контроля нагрузок и оценки остаточного прочностного ресурса РС до 2024 года с учётом установленного снижения частот крутильных колебаний относительно продольной оси станции на 35%, изгибных в плоскости тангажа МКС - на 5%.;

- результаты работы реализованы в 5 научно-технических отчётах ФГУП ЦНИИмаш в рамках ОКР «МЛМ», СЧ ОКР «МКС» (Надежность-Наука), ОКР «Ангара», выпущены «Расчётно-экспериментальная методика наземной отработки прочности навесного приборно-агрегатного оборудования и узлов его крепления крупногабаритных модулей долговременных орбитальных станций» № 5558-2017-1 от 24.05.2017 г. и Акт о её внедрении. Разработанные методики могут быть использованы для создания конечно-элементных моделей и проведения расчётно-экспериментального сопровождения изделий РКТ в ПАО «РКК «Энергия», ФГУП «ГКНПЦ имени М.В. Хруничева», АО «РКЦ «Прогресс» и других предприятиях ракетно-космической промышленности.

Методология и методы исследований

В работе использованы следующие методы расчётно-экспериментального исследования:

- экспериментальные исследования прочности навесного приборно-агрегатного оборудования и узлов его крепления выполнялись с использованием электро-динамической вибрационной установки фирмы Ling V-994LS, сбор данных об амплитудно-частотных характеристиках ускорений осуществлялся с помощью системы измерений фирмы LMS;

- формирование расчётных моделей производилось на основе общих принципов метода конечных элементов [13, 38, 50];

- применялись численные методы решения задач динамики, использующие уравнения движения конструкции и теоретические основы методов разложения решения по собственным тонам колебаний и прямого интегрирования уравнений движения [8, 23];

- расчёт собственных частот и форм колебаний производился с использованием метода Ланцоша [61];

- с целью получения обыкновенных дифференциальных уравнений для обобщённых координат применялся обобщённый метод Галёркина;

- для отработки прочности космических аппаратов при акустических нагрузках использовалась методика выбора эквивалентных виброрежимов

[41].

Положения, выносимые на защиту:

- методика разработки детализированных конечно-элементных моделей типовых обитаемых модулей долговременных орбитальных станций на основе задела по имеющимся моделям корпуса родственных конструкций с учётом технологических особенностей конкретного изделия;

- методика расчётного анализа нагружения приборно-агрегатного оборудования на основных этапах штатной эксплуатации обитаемого модуля ДОС;

- методика нагружения приборно-агрегатного оборудования и узлов его крепления типовых конструкций ракетно-космической техники при виброакустическом внешнем воздействии;

- разработанная детализированная конечно-элементная модель типового обитаемого модуля долговременных орбитальных станций.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена следующим:

- использованием классических методов моделирования и применением общепринятых методик при проведении расчётов динамического нагружения конструкций, многократно апробированных на практике;

- использованием лицензионной версии одного из стандартных программных комплексов типа MD.Nastran [65];

- удовлетворительным согласованием расчётной модели и натурного объекта при расчётно-экспериментальном сопоставлении амплитудно-частотных характеристик элементов конструкции лабораторного модуля, полученных при вибропрочностных испытаниях;

- использованием для анализа нагрузок при орбитальной эксплуатации модуля балочных моделей МКС, согласованных с международными партнёрами и

показавших адекватность при их использовании для анализа динамического нагружения конструкции станции в низкочастотной области.

Апробация результатов работы

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на отраслевых, всероссийских и международных конференциях, в том числе:

- на чтениях молодых учёных и специалистов, посвященных памяти Ю.А. Мозжорина (Королёв, 2010 г.)

- на научно-технической конференции «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики 2010» (Москва, 2010 г.);

- на XXXIX международной молодёжной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2013 г.);

- на 6-й международной научно-технической конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (Рязань, 2013 г.);

- на молодёжной научно-технической конференции «Молодежь в ракетно-космической отрасли» (Королёв, 2015 г.);

- на научно-технической конференции «Моделирование геофизических факторов в ракетно-космической технике» (Юбилейный, 2015 г.);

- на секции 22 имени академика В.Н. Челомея «Ракетные комплексы и ракетно-космические системы - проектирование, экспериментальная отработка, лётные испытания, эксплуатация» XL Академических чтений по космонавтике (Реутов, 2016 г.);

- на научно-практической конференции «Космонавтика и ракетостроение: взгляд в будущее», посвящённой 70-летию со дня образования НИИ-88/ЦНИИмаш (Королёв, 2016 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ [14 - 22], в том числе 4 работы в журналах перечня ВАК РФ [14, 15, 21, 22].

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и списка литературы из 73 наименований. Общий объём диссертации 150 страниц, содержит 104 иллюстрации, 1 блок-схему и 32 Таблицы.

Содержание работы

В первой главе выполнена постановка методик проведения расчётного анализа по определению прочности узлов крепления приборно-агрегатного оборудования обитаемого модуля долговременных орбитальных станций. Указаны методические основы синтезирования расчётных моделей для выполнения анализа, принципы проведения динамических испытаний.

Во второй главе проведено подробное описание создания конечно-элементной математической модели изделия с навесным оборудованием, установленным как внутри изделия, так и на его корпусе снаружи. В среде программного комплекса MD.Nastran согласно методике, приведённой в главе 1, выполнено создание детализированных моделей лабораторного модуля и его вибрационной сборки. Используя принципы численного моделирования динамического эксперимента и обработку результатов виброиспытаний (разделы 1.2 и 1.3 соответственно), выполнена валидация расчётной модели вибрационной сборки и натурного объекта, проходившего испытания. Показано удовлетворительное согласование расчётных откликов модели с амплитудно-частотными характеристиками элементов конструкции указанного изделия, что подтвердило корректность выбранного способа моделирования, как вибрационной сборки, так и самого ЛМ.

В третьей главе описано реализованное расчётное исследования условий акустического нагружения приборно-агрегатного оборудования типовых конструкций ракетно-космической техники на активном участке полёта. Проведён сравнительный анализ с перегрузками, полученными от случайного вибрационного и гармонического внешних воздействий на конструкцию. Представленная методика апробирована на конечно-элементных моделях нескольких изделий, в том числе и на верифицированной модели (глава 2) лабораторного модуля. Оценено напряжённо-деформированное состояние (НДС) элементов ЛМ.

В четвёртой главе представлен анализ нагрузок элементов и узлов крепления навесного оборудования типового модуля долговременных обитаемых

станций при переходных процессах на этапе его выведения при помощи одной из эксплуатируемых ракет-носителей (РН). Для выполнения указанной задачи возникает необходимость вычисления внутренних силовых факторов (ВСФ) в интерфейсе РН-ЛМ (проведения анализа связанных нагрузок (АСН), который, как правило, выполняет разработчик ракеты космического назначения). В данной работе подобный анализ выполнен автором исключительно с целью определения входных воздействий при решении задачи о нагружении приборно-агрегатного оборудования ЛМ. Модель модуля ДОС синтезируется с балочной моделью РН [15, 16]. Рассматриваются случаи старта и разделения I и II ступеней. Далее, полученные ВСФ используются как входные параметры при определении перегрузок приборно-агрегатного оборудования указанного модуля с применением верифицированной конечно-элементной модели.

В пятой главе приведена оценка динамического отклика конструкции МКС и ЛМ после их стыковки. Разработана балочная модель лабораторного модуля, которая интегрируется в согласованную с международными партнёрами балочную модель Международной космической станции. В качестве внешних воздействий используются зарегистрированные данные стыковок транспортных кораблей (ТК) к портам российского сегмента станции, а также силовая функция при работе космонавта на велотренажёре, расположенном в одном из модулей МКС. На первом этапе определяются внутренние силовые факторы в интерфейсах ЛМ-СМ и ЛМ-ТК и перегрузки в местах установки датчиков на эксплуатируемых модулях станции. Вычисленные силовые факторы используются как внешние воздействия при определении картины нагружения навесного оборудования с использованием детализированной конечно-элементной модели модуля.

По результатам диссертационного исследования сделаны основные выводы и заключение по применимости разработанных методик и их преимуществам в части создания детализированных моделей и анализе нагружения приборно-агрегатного оборудования типовых модулей ДОС.

ГЛАВА 1. МЕТОДИКА РАСЧЁТНОЙ АДАПТАЦИИ ДЕТАЛИЗИРОВАННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОБИТАЕМЫХ МОДУЛЕЙ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ

В настоящей главе представлена методика проведения расчётов по определению прочности мест крепления приборно-агрегатного оборудования обитаемого модуля долговременных орбитальных станций. Расчёты, приведенные в диссертационной работе, выполнены по данной методике, представленной далее на странице 15 в виде блок-схемы (Рисунок 1 .1).

Представленная методика состоит из трёх определяющих частей, отмеченных в блок-схеме разными цветами. В соответствии с правилом прохождения схемы первоначально происходит разработка детализированной конечно-элементной модели, показанная в блок-схеме красной «веткой». Сама по себе схема создания моделей является методикой, описание которой будет представлено далее.

На следующем этапе (голубая «ветка») происходит создание моделей испытательных сборок и их верификация в соответствии с проведёнными испытаниями. При адекватном соответствии моделей испытательных сборок реальным конструкциям принимается решение о возможности проведения расчётов на разработанных моделях всего изделия.

В зелёной «ветке» блок-схемы показаны некоторые варианты расчётов, проведённых с использованием детализированной динамической модели. Следует отметить, что для каждой расчётной «под-ветки» созданная модель модернизируется или трансформируется в соответствии с особенностями рассматриваемой задачи. Так, например, при анализе связанных нагрузок на этапе выведения необходимо редуцировать модель модуля, а при прогнозировании динамических откликов конструкции МКС создаётся балочная модель объекта и интегрируется в актуальную балочную модель станции. При акустическом нагружении используется детализированная динамическая модель, но она также дорабатывается в соответствии с особенностями конкретного расчёта.

* - используется задел по актуальным динамическим моделям РН и МКС, полученный в рамках предыдущих работ

Рисунок 1.1. Болк-схема расчётно-экспериментальной методики

В настоящее время в организациях ракетно-космической промышленности наработаны классические подходы к определению нагружения конструкций и их элементов (в т. ч. навесного приборно-агрегатного оборудования) с использованием конечно-элементных моделей. Для определения внутренних силовых факторов на основных этапах эксплуатации в интерфейсных сечениях ракет-носителей или орбитальных станций используются согласованные с международными партнёрами балочные конечно-элементные модели. Подобные КЭМ использованы в работах А.В. Анисимова, С.С. Бобылёва, С.М. Бойчука, В.А. Бужинского, Н.Ю. Введенского, А.И. Лиходеда, В.А. Титова, Р. Лохана, У. Томсона [1, 43 - 46, 59, 64]. Для решения поставленной задачи использование балочных моделей удовлетворительно. Однако для дальнейшего анализа нагрузок на изделие, например на КА на этапе его выведения с помощью ракеты-носителя, требуется более детальное моделирование аппарата. В работах по орбитальным станциям, к примеру, актуален вопрос оценки остаточного прочностного ресурса эксплуатируемых модулей при реализуемых динамических операциях. Для этих целей во ФГУП ЦНИИмаш разработаны и переданы ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» и ПАО «РКК «Энергия» оболочечные модели модулей Российского сегмента МКС. Степень детализации таковых модулей на настоящий момент считается удовлетворительной. Но на самом деле в данных КЭМ детализировано представлен корпус модулей, а навесное приборно-агрегатное оборудование и интерьер распределены по силовым элементам в виде неструктурной массы.

Долговременные орбитальные модули имеют родственную по габаритам и массам конструкцию. Поэтому, используя задел по моделям корпуса эксплуатируемых модулей, реализована разработка детализированной модели ЛМ. Данная модель учитывает в себе характерные особенности корпуса конкретного изделия, внутренний силовой каркас, внутреннее и наружное навесное оборудование. Разработанная модель позволит более точно определять нагрузки на корпус, оборудование и места его крепления, как на этапе транспортирования и выведения, так и на этапе орбитальной эксплуатации в

составе МКС. Так в работе И.М. Безмозгого и А.Н. Софинского [5] рассмотрена роль конечно-элементной модели в системном многоэтапном процессе обеспечения вибропрочности конструкции изделий ракетно-космической техники. Изложены принципы построения модели, проблемные вопросы, сложности и особенности процессов ее разработки и использования для решения расчетно-теоретических и экспериментальных задач в процессе создания изделия. Показаны методы уточнения параметров, настройки модели и ее верификации для задач вибропрочности. Приведены примеры динамического моделирования конструкций автоматического космического аппарата и модуля космической станции. По результатам работы авторами сделаны следующие выводы:

- динамической конечно-элементной модели принадлежит ключевая роль в решении комплексных задач обеспечения вибропрочности конструкции изделия;

- современная вычислительная техника, программные продукты, испытательно-измерительные комплексы позволяют создать подробную модель конструкции изделия, и на основе эксперимента отстроить и подтвердить ее достоверность;

- верифицированная модель является надежным инструментом анализа прочности изделия при его эксплуатации, изменении условий его эксплуатации, изменениях его конструкции, а также при создании новых изделий;

- роль динамической конечно-элементной модели в отработке вибропрочности изделия будет возрастать при прогнозируемом развитии отраслевой системы обеспечения прочности в направлении перенесения экспериментальной отработки на летное изделие.

Следует отметить, что зарубежные специалисты активно применяют перенос экспериментальных работ со специализированного макета на летное изделие с вырезкой в процессе нагружения опасных для изделия частотных диапазонов или ограничения в них амплитудных значений нагрузок, если это допускают условия эксплуатации.

Одной из рассматриваемых в работе задач является оценка виброакустического нагружения приборно-агрегатного оборудования типовых конструкций РКТ, в частности космических аппаратов, установленных под

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Золкин Станислав Николаевич, 2019 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анисимов А.В., Бобылёв С.С., Лиходед А.И., Мощенко А.И. Основные нормативные положения методики определения полётных спектров циклического нагружения конструкции российского сегмента Международной космической станции // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2014. Выпуск 4 (77). С. 121-125.

2. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Дрофа. 2004. 593 с.

3. Балакирев Ю.Г. Особенности выделения квазистатических составляющих при анализе динамического нагружения упругих конструкций // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2014. Выпуск 2 (75). С. 34-40

4. Бахвалов Н.С. Численные методы (анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения) / Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука». М., 1975. 631 с.

5. Безмозгий И.М., Софинский А.Н., Чернягин А.Г. Моделирование в задачах вибропрочности конструкций ракетно-космической техники [Электронный ресурс] // Космическая техника и технологии. Королев. 2014. Выпуск 3(6). С. 71-80. URL: http: //www.energia.ru/ktt/archive/2014/03-2014/03-10. pdf

6. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир. 1989. 541 c.

7. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. М.: Наука. 1979. 336 с.

8. Введенский Н.Ю., Сидоров В.В. Решение нелинейных задач динамического нагружения конструкций космической техники методом прямого интегрирования уравнений их движения // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 1998. Выпуск 13. С.117-129.

9. Гладкий В.Ф. Динамика конструкции летательного аппарата. М.: Наука. Физматлит. 1969. 496 c.

10. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек / Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука». М., 1976. 512 с.

11.Дегтярь В.Г., Меркулов Е.С., Сафронов А.В., Хлыбов В.И. Результаты расчётно-экспериментальных исследований газодинамических процессов при взаимодействии многоблочных струй ракетных двигателей с газоотражателем стартового сооружения // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2013. Выпуск 1 (70). С. 37-45.

12. Журнал «Новости космонавтики» №7 (306) за информационный период 1 -31 мая 2008 года, Том 18. С. 28-29.

13. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. 1975. 541 с.

14.Золкин С.Н., Титов В.А Верификация динамических моделей изделий

ракетно-космической техники на основе сопоставления их расчётных и экспериментальных амплитудно-частотных характеристик // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2013. Выпуск 2 (71). С. 28-33.

15.Золкин С.Н. Исследование нагружения ракеты-носителя тяжёлого класса при движении в плотных слоях атмосферы [Электронный ресурс] // Электронный журнал «Труды МАИ», Выпуск № 45 от 07.06.11. URL: http: //www.mai .ru/science/trudy/published.php?ID=25394

16.Золкин С.Н. Исследование нагружения ракеты-носителя тяжёлого класса при движении в плотных слоях атмосферы с учётом аэродинамических воздействий // Труды 53-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть III Аэрофизика и космические исследования. Том 1.- М.: МФТИ. 2010. C. 68.

17.Золкин С.Н. О некоторых особенностях верификации расчётных моделей изделий РКТ по результатам их динамических испытаний // Международная молодёжная конференция. XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды в 9 томах. Том 2. МАТИ Москва. 2013. C. 91-92.

18.Золкин С.Н., Анисимов А.В., Лиходед А. И., Титов В.А Программное обеспечение для расчетного определения фактических спектров циклического нагружения и текущего остаточного прочностного ресурса конструкции Российского сегмента МКС при динамических режимах в процессе строительства и летной эксплуатации орбитальной станции.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614284 от 03.08.2011.

19.Золкин С.Н., Сидоров В.В., Титов В.А. Расчётное исследование условий акустического нагружения приборно-агрегатного оборудования модуля МКС на участке его выведения // 6-я международная научно-техническая конференция Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика. Сборник трудов. Рязань. 2013. С. 85-86.

20.Золкин С.Н., Лиходед А.И., Титов В.А. Расчетное исследование условий виброакустического нагружения приборно-агрегатного оборудования типовых конструкций РКТ // «Ракетные комплексы и ракетно-космические системы - проектирование, экспериментальная отработка, лётные испытания, эксплуатация», Труды секции 22 имени академика В.Н. Челомея ХЬ Академических чтений по космонавтике. Реутов. 2016. Выпуск 4. АО «ВПК «НПО Машиностроения». С. 319-334.

21.Золкин С.Н. Расчетное исследование условий нагружения приборно-агрегатного оборудования типовых конструкций ракетно-космической техники при виброакустическом воздействии // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2017. Выпуск 1(94). С. 54-58.

22.Золкин С.Н. Условия нагружения навесного оборудования обобщённого аналога приборного отсека ракеты-носителя при акустическом воздействии // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2015. Выпуск 4 (83). С. 123127.

23.Кармишин А.В., Лиходед А.И., Паничкин Н.Г., Сухинин С.Н. Основы отработки прочности ракетно-космических конструкций. М.: Машиностроение. 2007. 480 с.

24.Колесников К.С. Жидкостная ракета как объект регулирования. М.: Машиностроение. 1969. 298 с.

25.Кренделл С. Случайные колебания. М.: Мир. 1967. 335 с.

26.Кузнецов О.В. Анализ акустических волн в отсеках, содержащих газ и погружённых в акустическую среду // ФГУП «МИТ». Труды «Наука, техника, производство». 2001. Т.5, часть 1. С. 35-44.

27.Кузнецов О.В. Анализ влияния внешней акустической среды на динамическое поведение оболочечных конструкций, содержащих газ. М.: НТС «Труды МИТ». Т.11, Часть 1. Изд. Центр информации ФГУП МИТ. 2011. С. 117-124.

28.Кузнецов О.В., Токмачёва Е.Н. Инженерные методы расчёта вибрационного состояния ракетных конструкций. М: Изд. «Информтехника».1992. 124 с.

29.Кузнецов О.В. Исследование структуры акустических полей в цилиндрическом отсеке, заглушенном пологими сферическими днищами и заполненном газом // Механика твёрдого тела №6. 1996. С. 162-171

30.Кузнецов О.В., Соломонов Ю.С. Качественный анализ акустического нагружения отсеков ЛА и пускового контейнера // Конструкции из композитных материалов: Межотраслевой научно-технический журнал. ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт межотраслевой информации - Федеральный информационно-аналитический центр оборонной промышленности». Научно-производственное объединение прикладной механики. Москва. 2004. Выпуск 1. С. 63-73

31.Лейбензон Л.С. Курс теории упругости. ОГИЗ государственное издательство технико-технической литературы. Москва - Ленинград, 1947. 464 с.

32.Липницкий Ю.М., Сафронов А.В. Наземная отработка акустики старта ракет-носителей // Ученые записки ЦАГИ. Т. XLV. №2. 2014. С. 37-49

33.Липницкий Ю.М., Лиходед А.И., Сидоров В.В. Сравнительный анализ спектров нагружения элементов конструкции при их вибрационном возбуждении и пульсациях акустического давления // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2007. Выпуск 2 (47). С.84-93.

34.Лиходед А.И. О сходимости метода разложения по собственным тонам колебаний в задачах динамического нагружения // Механика твёрдого тела. Изв. АН СССР. 1986. №1. С. 180-188.

35.Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике. М.: Наука. 1970. 512 с.

36.Мунин А.Г., Ганабов В.И., Власов Е.В., Ефимцов Б.М., Жилин Ю.Л., Караушев Г.П., Карпов В.И., Квитка В.Е., Кудисова Л.Я., Кузнецов В.М., Мельников Б.Н., Морозова Н.Н., Науменко З.Н., Писаревский Н.Н., Смышляева Т.Б., Соркин Л.И., Филипова Р.Д., Фомин М.Г. Авиационная акустика. М.: Машиностроение. 1973. 448 с.

37.Петроковский С.А. Комплексный подход к решению задач совместимости ракеты-носителя «Протон М» с тяжелыми космическими аппаратами // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2008. Выпуск 1 (50). С. 106-121

38.Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчётах судовых конструкций. Л.: Судостроение. 1974. 344 с.

39.Сафронов А.В., Хотулев В.А., Шувалова Т.В. Газодинамика старта ракет-носителей. / ред.совет: К.В. Фролов и др. М.: Машиностроение. Энциклопедия. Ракетно-космическая техника. Т. 1У-22 под ред. В.П. Легостаева. Кн.1. 2012. С. 389-406 из 925 с.

40.Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем. М.:Машиностроение. 1976. 216 с.

41.Сидоров В.В. Методика выбора эквивалентных виброрежимов для отработки прочности малых космических аппаратов при акустических нагрузках // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2013. Выпуск 1 (70). С. 63-68.

42.Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение. 1985. 473 с.

43.Титов В.А. Анализ особенностей расчётной модели Международной космической станции при динамических воздействиях различных типов // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2010. Выпуск 1 (58). С. 82-86.

44.Титов В.А., Анисимов А.В., Лиходед А.И., Бобылёв С.С., Бойчук С.М., Жуков Н.Б., Фалин К.А. Верификация динамической модели Международной космической станции в целях реконструкции силовых функций по замеренным бортовым ускорениям // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2012. Выпуск 2 (67). С. 70-78.

45.Титов В.А., Бобылёв С.С. Исследование диссипативных свойств конструкции Международной космической станции // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2014. Выпуск 4 (77). С. 171-177.

46.Титов В.А., Анисимов А.В., Введенский Н.Ю., Лиходед А.И., Сафронов В.Н. Об оценке расходования механического ресурса конструкции Российского сегмента Международной космической станции // Космонавтика и ракетостроение. Королёв. 2011. Выпуск 1 (62). С. 74-79.

47.Феодосьев В.И Сопротивление материалов / под ред. И.К. Снитко и др. М: Наука. 1964. 540 с.

48.Харкевич А.А. Спектры и анализ. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы. 1952. 98 с.

49.Цзи-Де Ван. Прикладная теория упругости / перевод с английского Землянских И.Н., под редакцией А.С. Вольмира. Государственное издательство физико-математической литературы. М. 1959. 400 с.

50.Шимкович Д.Г. Femap & Nastran. Инженерный анализ методом конечных элементов. М: ДМК Пресс. 2008. 700 с.

51.Analysis of acoustics, vibroacoustics and aeroacoustics using Actran [Electronic resource]. Stephane CARO. Free Field Technologies. [e-mail] & Alexander Zharkov. MSC Russia.

52.Astra 1L Spacecraft Dynamic Environmental Test Report for Proton Mission. / Prepared by: Johannes K. Widjaja, Approved by: Wensen Chen // Lockheed Martin Commercial Space Systems. 2006. 38 p.

53.DeLombard R., McPherson K., Hrovat K., Moskowitz M., Rogers M. J. B., and Reckart T. Microgravity Environment Description Handbook. NASA TM-107486. 1997. 157 p.

54.Dhainaut J.-M. Analysis of Nonlinear Structures and Acoustics Coupling Finite and Boundary Element Methods // 51st AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures. Structural Dynamics and Materials Conference<BR>18th. 12 - 15 April 2010. Orlando. Florida. 12 p.

55.Engberg T., Korde U.A. Acoustic Modeling of Rocket Payload Bays within Launch Fairings // 52nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures. Structural Dynamics and Materials Conference<BR> 19th. 4 -7 April 2011. Denver. Colorado. 16 p.

56.Eurockot Launch Services GmbH. EHB-0003. Issue 3. Rev. 1. 2001. 194 p.

57.Howard C. Q., Hansen C.H., Zander A.C. Noise Reduction of a Rocket Payload Fairing Using Tuned Vibration Absorbers with Translational and Rotational DOFs // Proceedings of the Annual Conference of the Australian Acoustical Society. 2005. pp.165-171.

58.Jorgensen C. A. International Space Station Evolution Data Book [Electronic source] // Volume I. Baseline Design. Revision A. Editor. FDC/NYMA, Hampton. Virginia. 222 p. URL: http://asi.org/adb/11/iss/NASA-2000-sp6109vol 1 rev 1. pdf

59.Jeyakumar D., Biswas K.K., Nageswara B. Stage Separation Dynamic Analysis of Upper Stage of a Multistage Launch Vehicle using Retro Rockets [Electronic source] // Mathematical and Computer Modeling. 41 (2005). pp. 849-866. URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0895717705001482

60.LMS Virtual_Lab Acoustics for Acoustic Simulation Siemens PLM Software [Electronic resource]. URL:

http://m.plm.automation.siemens.com/eu us/products/lms/virtual-lab/acoustics/index. shtml

61.Lanczos C. An Iteration Method for the Solution of the Eigenvalue Problem of Linear Differential and Integral Operators // Journal of the Research of the National Bureau of Standards. Volume 45. 1950. pp. 255-282.

62.Lane S.A., Henderson K., Williams A. Chamber Core Structures for Fairing Acoustic Mitigation // Journal of Spacecraft and Rockets/ Volume 44. No. 1. 2007. pp. 156-163.

63.Likhoded A.I., Kildibekov I.G., Kozlov A., Panichkin N., Sidorov V., Vjilomov V., Vvedensky N., Modeling of LV Control System Bay Vibrations Induced by Acoustical Loading // Noise and vibration engineering. Proceedings ISMA-25, Leuven, 2000. 5 p.

64.Lochan R, Adimurthy V, Kumar K. Separation dynamics of strap-on boosters [J]. Journal of Guidance, Control and Dynamics, 1992, 15(1) pp.137-143.

65.MD.NASTRAN. Dynamic Analysis User's Gide. MSC. Software Corporation, 2010. 526 p.

66.Nosatenko P.Ya.. Nikitenko V.I., Bobrov A.V., Vvedensky N.I., Likhoded A.I. Equivalent modes for spacecraft vibroacoustic verification tests // ESA SP-408: Proceedings of the Third International Symposium on Environmental Testing for Space Programmes. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands. 24-27 June 1997. pp.133-136.

67.Proton launch system mission planner's guide. International Launch Services 1660 International Drive. Suite 800 McLean. Virginia 22102 USA. 342 p.

68.Rogers M. J. B., Hrovat K., McPherson K., Moskowitz M., Reckart T. Accelerometer Data Analysis and Presentation Techniques. NASA TM-113173. 1997. 37 p.

69.Subramanyam J.D.A., Kobayashi S. (Ed.) Separation dynamics analysis for a multistage rocket // Proceedings of the International Symposium of Space Science and Technology. AGNE Publishing. U.K. 1973. pp. 383-390. 70.Sutliff T. J., Rogers M. J. B., DeLombard R. Space Acceleration Measurement System—II B-0879-A. NASA Glenn Research Center. 1999. 10 p.

71.Thomson W.T. Introduction to Space Dynamics. Wiley. New York 1961. 317 p.

72.UAI/NASTRAN. User's Guide. Ver.20.1. Universal Analytics, inc. Torrance. California. USA. 1993 -1999.

73.Vvedensky N.I., Likhoded A.I., Panichkin N.G. et al. Space structure Ultimate Loads Decreasing by Using Statistical Approach // Book of abstracts 49th International Astronautical Congress. Melbourne. Australia. 1998. 9p.

УТВЕРЖДАЮ

-заместитель генерального директора

/V

ФГУИ ДНИИмаш

г '/ У": Н .__

»// _2017 г.

О.П. Скоробогатов

о внедрении расчётно-экспериментальной методики № 5558-2017-1

Комиссия в составе:

председатель: и.о. начальника Центра члены комиссии: начальник отдела

И.С. Комаров А.И. Лиходед А.А. Малинин

начальник отдела

составили настоящий акт о том, что «Расчётно-экспериментальная методика наземной отработки прочности навесного приборно-агрегатного оборудования и узлов его крепления крупногабаритных модулей долговременных орбитальных станций» № 5558-2017-1 реализована в деятельности федерального государственного унитарного предприятия «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» (ФГУП ЦНИИмаш) при совершенствовании методик, используемых на предприятии, для обеспечения отработки прочности конструкций РКТ с плотным приборно-агрегатным насыщением на основных этапах эксплуатации.

Использование указанной методики позволяет повысить эффективность разрабатываемых конечно-элементных моделей, уточнить результаты расчётного анализа, сократить трудовые и временные затраты при отработке прочности крупногабаритных конструкций с плотным приборно-агрегатным насыщением.

Председатель: Члены комиссии:

А.А. Малинин