Анализ напряженно-деформированного состояния баков космического аппарата с учетом геометрических особенностей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.764.7:539.419

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БАКОВ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С УЧЕТОМ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ

Л. А. Силкина*, Р. С. Лукин

Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 *E-mail: lidia_silkina@mail.ru

Рассмотрены особенности конечно-элементного расчета сферических топливных баков космического аппарата с учетом его геометрических особенностей. Показано влияние данных особенностей на значение действующих напряжений.

Ключевые слова: метод конечных элементов, подмоделирование, топливный бак, концентратор напряжения, оболочка.

STRESS STRAIN ANALYSIS OF SPACECRAFT TANKS WITH THE GEOMETRIC FEATURES

L. A. Silkina*, R. S. Lukin

Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation *E-mail: lidia_silkina@mail.ru

The research focuses on features of the finite element calculation of the spherical fuel tanks of a spacecraft taking into account its geometric characteristics. The influence of these features on the value of acting stresses is shown.

Keywords: finite element method, submodeling, fuel tank, stress concentrator, shell.

Введение. На примере расчета прочности бака маршевой двигательной установки разгонного блока «Фрегат» [1] (РБФ) показана возможность расчета прочности сложных конструкций листовой конфигурации, включающие в себя различные геометрические концентраторы напряжений, такие как шпангоуты или фрезерованные поверхности. Одним из ответственных элементов топливного бака является сварной шов, соединяющий обечайку с днищем или шпангоутом. По данным источника [2] возможно определение напряжений в зоне сварного шва путем ввода фиктивного радиуса в расчетной модели. В то же время определение концентрации напряжений при достаточно сложной геометрии модели возможно с использованием метода подмоделирования [3; 4]. Также стоит отметить, что при внесении геометрии сварных швов со скруглениями [2; 4] возможно избежать появления сингулярности в расчетной области и определить действительные напряжения.

Основная часть. Для бака РБФ произведен расчет давления в момент начала спуска при заполнении его азотным тетраоксидом (окислителем) по методике, описанной в [1]. Расчетное давление p = 1,854 МПа при 50 % заполнения бака жидким окислителем и температуре окислителя T = 356 ^ Эквивалентные напряжения на радиусе наружной части оболочки (г = 680 мм) равны с = 338,94 МПа, на внутренней (г = 678,15 мм) равны с = 341,72 МПа.

Сравнение результатов конечно-элементного моделирования с аналитическим решением производилось на 3-х моделях: модель сферической оболочки, модель сферической оболочки с введенными в расчет шпангоутами и модель с учтенной макрогеометрией сварного шва. Определены действующие эквивалентные напряжения в оболочке и зоне стыка оболочки и шпангоутов (рис. 1). Для второго и третьего расчетных случаев произведено подмоделирвоание с учетом скруглений в зоне перехода сварного шва к основному материалу (рис. 2).

Сводные значения величин напряжений и коэффициентов концентрации напряжений в зоне стыка оболочки с центральным шпангоутом (верхний стык) приведены в таблице.

Заключение. Исходя из результатов расчетов видно, что значения осредненных и не осредненных напряжений совпадают для основной модели и подмодели, что говорит об отсутствии сингулярности в данной модели и достаточной густоты сетки в зоне роста напряжений. Также видно, что утолщение, внесенное в модель для имитации сварного шва, оказывает влияние на величину деформации оболочки. И, как следствие, результат расчета подмодели без учета сварного шва отличается от результата в подмодели, для которой основная модель имела большую жесткость.

Контроль и испытания ракетно-космической техники

Рис. 1. Результаты расчета напряжений в основной модели, МПа, слева на право: расчет оболочки; расчет оболочки со шпангоутами; расчет оболочки со шпангоутами и сварными швами

634.4®

57147

508,45

445.45

382.41

319.4

256.38

193.36

130.34

67.327

п

п

Рис. 2. Результаты расчета напряжений в подмодели, МПа, слева на право: расчет подмодели оболочки со шпангоутами; расчет подмодели оболочки со шпангоутами и сварными швами

Результаты расчета эквивалентных напряжений в оболочке бака

Расчетный случай Напряжения на внутреннем Напряжения в зоне концентрации Коэффициент

радиусе оболочки, МПа* напряжений, МПа концентрации напряжений

Аналитическое решение 341,72 - -

Оболочка 341,73/341,73 - -

Оболочка со шпангоутами 341,7/341,7 512,75/512,75 1,5

Оболочка со сварными швами 341,7/341,7 656,59/656,59 1,92

Подмоделирование оболочки - 634,48/634,95 1,86

со шпангоутами

Подмоделирование оболочки - 547,67/548,09 1,6

со сварными швами

* Осредненные/неосредненные значения напряжений.

Библиографические ссылки

1. Глазунов А. А., Гольдин В. Д., Зверев В. Г. Аэродинамический нагрев топливных баков космического разгонного блока при спуске в атмосфере. Вестник Томского гос. ун-та // Математика и механика. Томск, 2011. № 4. С. 79-95.

2. Коростылёв Л. И., Литвиненко Д. Ю. Анализ и классификация методов оценки усталостной прочности сварных тонкостенных конструкций корпуса

судна // Вестник гос. ун-та морского и речного флота им. адм. С. О. Макарова. 2016. № 3 (37). С. 104-118.

3. Силкина Л. А. Технология подмоделирования применительно к анализу элементов космического аппарата // Решетневские чтения. 2016. Т. 1. № 20. С. 455-457.

4. Силкина Л. А., Лукин Р. С. Применение технологии подмоделирования к листовым металлоконструкциям подъемной техники // Наука сегодня: опыт,

традиции, инновации : материалы междунар. науч.-практич. конф. (26 июля 2017, г. Вологда). Вологда : Маркер, 2017. С. 36-39.

5. Банников Д. О., Гуслистая А. Э. Корректировка результатов расчета напряжений по МКЭ методом HSS // Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепро-петров. нац. ун-та железнодорожного транспорта. 2011. № 38. С. 134-141.

References

1. Glazunov A. A., Goldin V. D., Zverev V. G. [Aerodynamic heating of fuel tanks of a space upper stage at descent in the atmosphere]. Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. Tomsk, 2011. No. 4, Рp. 79-95. (In Russ.)

2. Korostylev L. I., Litvinenko D. Yu. [Analysis and classification of methods for determining fatigue strength of thin-walled ship structures]. Vestnik gos. un-ta mor-

skogo i rechnogo flota im. admirala S. O. Makarova. 2016. No. 3(37). Рp. 104-118.

3. Silkina L. A. [Technology of submodeling for analyzing spacecraft elements]. Reshetnev readings. 2016. Vol. 1. No. 20. p. 455-457. (In Russ.)

4. Silkina L. A., Lukin R. S. [Application of submodeling technology to sheet metal structures of lifting equipment] Nauka segodnya: opyt, traditsii, innovatsii: materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy kon-ferentsii. Vologda : Marker, 2017. Pp. 36-39.

5. Bannikov D. O., Guslistaya A. E. [Correcting accounting results of tensions using fem by HSS method]. Nauka I Progress Transporta. Vestnik Dnepropetrovskogo Natsionalnogo Universiteta Zheleznodorozhnogo. 2011. No. 38. Pp. 134-141. (In Russ.)

© Силкина Л. А., Лукин Р. С., 2017