CC BY
20
УДК 629.7.018.4
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ДИАФРАГМЫ-РАЗДЕЛИТЕЛЯ УДЛИНЕННОГО
ТОПЛИВНОГО БАКА
М. В. Кубриков, А. В. Устюгов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
При изучении топливных баков увеличенного объёма КА был проведен анализ диафрагм-разделителей и произведен расчет потери устойчивости при помощи конечно элементного пакета NX Nastran.
Ключевые слова: диафрагма-разделитель, NX Nastran, потеря устойчивости, космический аппарат.
ANALYSIS OF THE STABILITY OF THE DIAPHRAGM-SEPARATOR OF THE EXTENDED FUEL TANK
M. V. Kubrikov, A. V. Ustyugov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
When studying the fuel tanks of an increased volume of spacecraft, an analysis of the diaphragm separators was carried out and the loss of stability was calculated using the finite element package NXNastran.
Keywords: diaphragm separator, NX Nastran, loss of stability, spacecraft.
Для обеспечения стабильной работы космического аппарата (КА) на всем протяжении активного срока эксплуатации необходима стабильная подача компонентов топлива. Это достигается применением специальных разделительных устройств, гарантированно разделяющих компонент топлива и вытесняющий газ. Наибольшее распространение получили металлические диафрагмы-разделители, имеющие стогую закономерность выворачивания.
С развитием технологий в области радиотехники срок эксплуатации КА может достигать более 15 лет. В то же время срок активного существования зависит от запаса компонентов топлива на борту КА. Увеличение запаса компонентов топлива возможно при увеличении топливного бака, но диаметральные габариты бака конструктивно ограниченны размерами ракетоносителя.
В современных КА применяются топливные баки со сферическими диафрагмы-разделителями, которые имеют устойчивую закономерность выворачивания. Для увеличения продольного размера бака необходимо использовать удлиненные диафрагмы-разделители с участками образующей с малым углом наклона к продольной оси [1].
В соответствии с результатами экспериментов применение удлиненных диафрагм-разделителей невозможно в виду потери устойчивости на участках с конической образующей. Результаты экспериментов предоставлены на рис. 1.
Потеря устойчивости так же подтверждается при проведении расчетов в пакете конечно-элементного анализа NXNastran. Расчетная модель состоит трех участков в соответствии с рис. 2. Торовая зона является зоной пластических деформаций. Не вывернутая часть разделителя состоит из сферического и конического участков.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
Рис. 1. Диафрагмы-разделители, потерявшие устойчивость
Рис. 2. 3D-модель диафрагмы-разделителя
В качестве граничных условий закрепления используем кромку торовой поверхности полностью прошедшей деформацию. В качестве нагрузок задано давление по всей поверхности разделителя. По результатам анализа расчета типа Buckling получаем первую форму потери устойчивости, совпадающую с проведенным экспериментом, в соответствии с рис. 3.
Рис. 3. Первая форма потери устойчивости
Таким образом, основная потеря устойчивости наблюдается на коническом участке. Это позволяет сделать допущения и проводить расчет только конического участка без учета остальной геометрии разделителя. Для увеличения устойчивости разделителя принято решение использования подкрепляющих ребер жесткости. Ребра жесткости представляют собой локальные изменения толщины разделителя. Применение ребер жесткости позволяет выравнивать разделитель и осуществлять устойчивое осесимметричное выворачивание (рис. 4) [3].
Рис. 4. Диафрагма-разделитель подкрепленная ребрами жесткости
Для определения оптимальных геометрических размеров и количества подкрепляющих ребер жесткости для рассматриваемых разделителей была проведена серия расчетов. Результаты представлены в таблице [2].
Расчетные данные
Вариант оболочки Толщина ребра, мм Максимальное напряжение, МПа
Без подкрепляющих ребер - 479,8
С 1 подкрепляющим ребром 2,5 48,7
С 3 подкрепляющими ребрами 7 82
С 5 подкрепляющими ребрами 2,5 61,7
Из таблицы видно, что для гарантированной устойчивости необходимо использовать одно ребро жесткости. Проведенное исследование подтверждает возможность использования диафрагм-разделителей удлиненных топливных баков с целью увеличения срока активного существования КА.
Библиографические ссылки
1. Бакулин Я. Ю., Кубриков М. В. Построение физической модели пластического течения тонкостенной оболочки // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2016. Т. 1. № 12. С. 180-182.
2. Кубриков М. В., Бакулин Я. Ю. Исследование пластических деформаций ребер жесткости топливного бака // Решетневские чтения. 2012. Т. 1. № 16. С. 113-114.
3. Кубриков М. В., Журавлев В. Ю. Особенности пластического выворачивания цилиндрических участков металлических оболочек // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2011. Т. 1. № 7. С. 60.
© Кубриков М. В., Устюгов А. В., 2017
