Экспериментальное исследование деформированного состояния и прочности межступенчатого отсека ракетоносителя при статическом внешнем нагружении Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 539.3

Д. В. Акимов 1, д-р техн. наук В. З. Грищак2, д-р техн. наук С. И. Гоменюк2,

Д. В. Клименко1, И. Ф. Ларионов1, В. Н. Сиренко1

1 Государственное предприятие «Конструкторское бюро «Южное», г. Днепр 2 Запорожский национальный университет, г. Запорожье

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЧНОСТИ МЕЖСТУПЕНЧАТОГО ОТСЕКА РАКЕТОНОСИТЕЛЯ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ ВНЕШНЕМ НАГРУЖЕНИИ

Представлены результаты экспериментального исследования деформирования и прочности конструкции межступенчатого отсека (второй и третьей ступени) ракетоносителя при комбинированном внешнем статическом нагружении в ряде расчетных случаев. Результаты эксперимента сопоставлены с теоретическими данными расчета по методу конечных элементов, применительно к исследуемому классу механических систем.

Ключевые слова: межступенчатый отсек, испытания, деформация, прочность, комбинированное нагружение, технологические обечайки, расчетный случай, метод конечных элементов.

Введение

Конкурентоспособные изделия ракетно-космической техники (РКТ) в связи с новыми представлениями развития данной отрасли и решаемых задач требуют постоянного совершенствования процесса проектирования конструкций на базе современного математического обеспечения с учетом опыта использования отечественных и зарубежных систем автоматизированного проектирования (САПР) или CAD (Computer-Aided Design) и систем автоматизации инженерных расчетов и анализа (САЕ) [1], позволяющих моделировать, в частности, процессы деформации, исчерпания несущей способности и разрушения конструкций сложной конфигурации, работающих в экстремальных условиях эксплуатации. К наиболее распространенным широко специализированным системам САЕ можно отнести такие программные продукты, как ANSYS (ANSYS, Inc.), Nastran (MSC. Software Corporation), Abacus (Abacus, Inc.) и другие. Следует отметить, что, например, программные комплексы MSC.Patran и MSC.Nastran достаточно широко используются в ракетно-космической технике.

Одним из основополагающих звеньев при проектировании конкретного вида ракетно-космической техники является прочностной расчет с выбором конструкционных материалов, определением основных расчетных случаев нагружения и отвечающего за весовое совершенство проектируемого изделия. Необходимость специализированного математического обеспечения возникает при использовании в конструкции ракеты-носителя и космических аппаратов композиционных материалов, в частности уг-

лепластиков, которые формируются в процессе изготовления конструкции. Именно для них надежное математическое обеспечение, особенно предиспытательное математическое моделирование, имеет высокий статус в связи с возможностью значительного облегчения корпусных силовых элементов ракеты-носителя, в частности между баковых отсеков, головного обтекателя (ГО) и разгонного блока, а также снижением, в ряде случаев, натурных повторных испытаний при условии обеспечения углубленного прочностного анализа. Например, качественное усложнение задач прочности конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов, решаемых с помощью компьютерных технологий, приводит к необходимости конечно-элементных моделей расчетов с учетом реальных диаграмм нелинейного деформирования материала. Естественно, принципиальным вопросом для пользователя является выбор программного продукта и совершенствование математического обеспечения для решения конкретных задач. Отметим, что аналитический обзор программных комплексов, включающий математическое моделирование в нелинейных проблемах механики, до 2009 года содержится в работе [1]. К последним работам этого направления следует отнести публикации [2-10].

Естественно, используемое математическое обеспечение для прогнозирования несущей способности силовых элементов конструкций ракетоносителей и используемый на практике конструкторских бюро программный продукт нуждаются в тщательной экспертной оценке по результатам тестовых испытаний конструкций для основных расчетных случаев.

© Д. В. Акимов, В. З. Грищак, С. И. Гоменюк, Д. В. Клименко, И. Ф. Ларионов, В. Н. Сиренко, 2016 82

Целью настоящего исследования является описание постановки, методики проведения и анализ результатов экспериментальных исследований натурных испытаний при заданных жесткостных характеристиках исследуемой конструкции межбакового отсека и параметрах внешнего нагружения.

Испытания межступенного отсека 2-3 ступеней (МСО 2-3)

Основными задачами испытаний явились:

- подтверждение правильности выбранных конструктивных решений для элементов конструкции МСО 2-3 ступеней в обеспечение его прочности;

- подтверждение прочности корпуса МСО 2-3 ступеней при нагружении осевыми, перерезывающими силами и изгибающим моментом на активном участке траектории полета РКН (полет 1 и 2 ступени) и при наземной эксплуатации полностью собранной РКН;

- определение фактической несущей способности корпуса МСО 2-3 ступеней (испытания до разрушения).

Испытаниям подвергалась опытная конструкция (ОК), состоящая из:

- третьей ступени;

- цилиндрического отсека;

- корпуса переходника.

Третья ступень включает:

- топливный отсек третьей ступени;

- магистральный и расходный трубопровод;

- корпус крепления двигателя;

- имитатор двигателя;

- корпус МСО 2-3 ступеней;

- элементы крепления приборов;

- комплект крепежа для крепления отсеков.

Испытания сборки на расчетный случай «Полет РКН на АУТ, работа 1 ступени»

Сборка, состоящая из нижнего отсека цилиндрической секции ГО, корпуса переходника, корпуса МСО 2-3 ступеней, топливного отсека третьей ступени, магистрального трубопровода «О», расходного трубопровода «Г», корпуса (рамы МДУ) и клепаной части ТО третьей ступени, входящего в топливный отсек в сборе, устанавливалась вертикально и нижним шпангоутом корпуса МСО 2-3 ступеней, через технологическую обечайку, крепилась к силовому полу. Крепление нижнего шпангоута корпуса МСО 2-3 ступеней к технологической обечайке осуществлялось технологическим крепежом, по геометрии и прочности соответствующим штатному.

Схема испытаний сборки приведена на рисунках 1 и 2. На шпангоуты отсека ГО, корпуса переходника ГБ и бака «О» устанавливались технологические обечайки для приложения осевых, перерезывающих сил и изгибающих моментов. К шпангоуту бака «Г» третьей ступени были пристыкованы технологические сегменты для приложения осевых и перерезывающих сил.

К корпусу (рамы МДУ) был пристыкован имитатор МДУ для приложения осевой силы.

Общий вид испытательной установки представлен на рисунке 3. При нагружении в значениях усилий учи -тывался вес технологической оснастки, пристыкованной к верхнему торцу цилиндрической секции ГО, к верхнему торцу переходника ГБ, к шпангоуту бака «О». При проведении испытания нагружение проводилось этапами №№ 1-6. На этапе №4 производилось нагруже-ние эксплуатационными нагрузками с выдержкой 5 минут, на этапах №2 5 и №2 6 - расчетными (максимальное растяжение и максимальное сжатие соответственно). Далее проводился сброс нагрузок. Измерение параметров и визуальный осмотр конструкции производились на каждом этапе нагружения.

Схема расположения датчиков перемещений представлена на рисунке 4. Программные и реализованные значения нагрузок приведены в таблице 1.

Испытание МСО 2-3 ступеней максимальным осевым сжатием до разрушения

Корпус МСО 2-3 ступеней устанавливался вертикально и нижним шпангоутом с помощью технологической обечайки закреплялся на силовом полу. Крепление нижнего шпангоута корпуса МСО 2-3 ступеней к технологической обечайке осуществлялось технологическим крепежом, по геометрии и прочности соответствующим штатному.

Схема испытаний сборки приведена на рисунке 5.

На верхний торцевой шпангоут корпуса МСО 2-3 ступеней, через технологическое кольцо, устанавливалась технологическая обечайка для приложения осевой силы. Результаты статических испытаний приведены в таблице 2.

На рисунках 6-9 приведены изображения деформации обшивки на разных этапах нагружения. На рис. 9 хорошо видно разрушение межступенного отсека 2-3 ступеней при достижении критического значения нагрузки.

Расчет устойчивости МСО 2-3 ступеней при осевом сжатии

Исходными данными для проведения расчета на устойчивость конструкции МСО 2-3 являлись:

- конструкторская документация (КД) на корпус МСО2-3;

- физико-механические характеристики материалов и предельные значения напряжений.

Для расчета устойчивости была построена конечно-элементная модель МСО2-3, приведенная на рисунке 10.

Конечно-элементная модель МСО 2-3 нагружалась единичной осевой сжимающей силой по верхнему сечению, с учетом жесткости оснастки. Результаты расчета общей устойчивости корпуса МСО 2-3 приведены на рисунках 10-12.

1 тскнплоптческне обечайки Примечание

Рис. 1. Схема нагружения сбооки СТАТ X «Полет РКН на АУТ. оабота 1 ступени»: 1 - технологические обечайки

Вид Л

Спецшпзнгоуг

Од!

Рис. 2. Схема нагружения сборки «Полет РКН на АУТ, работа 1 ступени»

Рис. 3. Общий вид испытательной установки

Рис. 4. Схема расположения датчиков перемещений на сборке

Таблица 1 - Нагружение сборки расчетный случай «Полет РКН на АУТ работа 1 ступени» (программные и испытательные значения)

Этап 0 1 2 3 4 5 6

Ро 1 прог. 0,15 1,15 2,30 3,45 4,65 7,00 7,00

Ро 1 реал. 0,152 1,152 2,313 3,458 4,666 7,015 7,007

Рг 1 прог 0,10 0,75 1,50 2,25 3,10 4,65 4,65

Рг 1 реал 0,101 0,751 1,503 2,254 3,102 4,652 4,651

Т 1 1 прогр. 0 5,64 11,28 16,92 22,54 29,30 36,10

Т1 реал. 0 11,503 11,533 16,964 22,560 29,330 36,170

Т 12 прогр. 0 -2,54 -5,08 -7,62 -10,15 -13,20 -4,50

Т 12 реал. 0 -2,615 -5,107 -7,633 -10,255 -13,235 -4,530

Т3 прогр. 0 3,84 7,68 11,52 15,36 19,96 22,36

Т 13 реал. 0 4,912 7,694 11,604 15,430 20,070 22,360

Т4 прогр. 0 1,61 3,22 4,83 6,42 8,34 9,34

Т4 реал. 0 1,722 3,343 4,995 6,622 8,694 9,567

Ql прогр. 0 2,64 5,28 7,92 10,54 13,70 16,70

Ql реал. 0 2,669 5,335 7,974 10,620 13,840 16,840

Q3 прогр. 0 -0,3 -0,6 -0,9 -1,2 -1,56 -2,61

Q3 реал. 0 -0,334 -0,613 -0,922 -1,221 -1,586 -2,636

Q4 прогр. 0 -0,260 -0,520 -0,780 -1,030 -1,335 -2,220

Q4 реал. 0 -0,262 -0,521 -0,780 -1,040 -1,339 -2,233

М-1 прогр. 0 11,74 23,48 35,22 46,93 61,00 57,62

М1 реал. 0 11,971 23,724 35,521 47,200 61,387 57,836

Примечание. Ро , Рг , Т, , Т1 , Т, , Т4 , О, , О, , О, , М, , М2 —

г прогпрог.' 1 прогр.' 2 прогр.' 3 прогр.' 4 прогр.' прогр.' ^3 прогр.' прогр1 прогр.' 2 прогр.

программные значения внутреннего избыточного давления, осевых, перерезывающих сил и моментов;

Ро , Рг ,Т , Т , Т , Т , О , О , О , М , М - реализованные значения

реал: реал: 1 реал: 2 реал: 3 реал: 4 реал: реал: ^3 реал: ^4 реал: 1 реал: 2 реал. г

внутреннего избыточного давления, осевых сил, перерезывающих сил и моментов при испытаниях.

Таблица 2 - Результаты статических испытаний МСО 2-3 ступеней при нагружении максимальным осевым сжатием

Наименование отсека Ь ТР 1 экв.сж. тр 1 доп Тисп. Т разр писп.

Участок между шпангоутами 8-7 63,0 167,41 212,0 1,76

Участок между шпангоутами 7-6 63,0 178,16 237,0 1,66

Участок между шпангоутами 6-5 63,0 189,88 232,4 295,9 1,55

Участок между шпангоутами 5-4 52,4 200,48 324,0 *

Участок между шпангоутами 4-3 50,0 210,89 351,3 *

Примечание. Ь — длина секции между шпангоутами; ТР экв сж — расчетная эквивалентная осевая сжимающая сила; Тдоп — расчетная допускаемая осевая сила; Тистразр — испытательная разрушающая сила; Иисп. — коэффициент запаса прочности (устойчивости) реализованный при испытаниях; * — нижнее сечение корпуса МСО 2.

Рис. 5. Схема расчетных сечений сборки: 1 - технологические обечайки; 2 - I', I, II', II, Ш', Ш, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, в', г,

0Ш - расчетные сечения

Рис. 6. Деформация обшивки после 3 этапа нагружения МСО 2-3 ступеней

Рис. 7. Деформация обшивки на 5 этапе нагружения МСО Рис. 8. Начало процесса разрушения корпуса МСО 2-3

2-3 ступеней ступеней на 6 этапе нагружения

Рис. 9. Разрушение МСО 2-3 ступеней

Рис. 10. Форма общей потери устойчивости корпуса МСО 2-3, характерная для нагружения осевой сжимающей силой (критическая расчетная сила потери устойчивости Тр = 287,493).

Рис. 11. Расчетные касательные напряжения в обшивке корпуса МСО 2-3 в момент потери несущей способности (критические касательные напряжения обшивки 257-290)

Т = 295,9

Т.,

287,493

Рис. 12. Сравнение формы разрушения корпуса МСО 2-3 при проведении испытаний с формой потери устойчивости,

полученной расчетным путем

Выводы

Представленные результаты экспериментального исследования деформированного состояния и прочности конструкции межступенного отсека ракетоносителя подтверждают правильность и эффективность выбранной математической модели и метода анализа при простом и комбинированном нагружении.

Список литературы

1. Чумаченко Е. Н. Математическое моделирование в нелинейной механике (Обзор программных комплексов для решения задач моделирования сложных систем) / [Чумаченко Е. Н., Полякова Т. В., Аксенов А. С. и др.]. -М., 2009. (Препринт / Институт космических исследований (Москва) ; Пр-2155)- 42 с.

2. Опыт и новые технологии инженерного анализа в интересах космоса. Государственный космический научно-производственный центр имени М. В. Хруничева. 15.08.2011.

3. Полиновский В. П. Применение программных продуктов фирмы MSC.Software для расчета новых изделий из композиционных материалов в ГЛНПЦ им. М. В. Хруничева [Электрон. текстовые и граф. дан.] / Полиновский В. П. // Тр. Рос. Конф. Пользователей системы MSC 2003 года. - М. : MSC.Software Corporation. - 5 c.

4. Ильин А. М. Использование технологии компьютерного моделирования на базе конечно-элементного анализа в расчетах динамической нагруженности и температурных режимов ракетно-космической техники Хруничева [Электрон. текстовые и граф. дан.] / А. М. Ильин, Е. А. Кожевников, В. И. Хлыбов // Тр. Рос. Конф. пользователей системы MSC 2003 года. - М. : MSC.Software Corporation.

5. Зиновьев А. М. Конструктивно-технологическое решение и несущая способность межступенного отсека ракеты-носителя «Циклон-4» из полимерных композиционных материалов / [Зиновьев А. М., Кушнарев А. П., Кондратьев А. В. И др.] // Авиационно-космическая техника и технология. - 2013. - 33(100). - C. 46-52.

Одержано 20.04.2016

Ашмов Д.В., Грищак В.З., Гоменюк С.1., Клименко Д.В., Ларюнов 1.Ф., Оренко В.М. Експериментальне дослщження деформованого стану i мщносп мгажтупеневого вщсжу ракетоноая при статичних зовшшньому навантажений

Представлено результати експериментального до^дження деформування i мiцностi конструкцП мiжступеневого вiдсiку (другого i третього ступеня) ракетоноая при комбiнованому зовншньому статичному навантаженнi в низцi розрахункових випадюв. Результати експерименту зктавлет з теоретичними даними розрахунку iз застосуванням методу сктченних елементiв вiдповiдного класу механiчних систем.

Ключовi слова: мiжступеневий вiдсiк, випробування, деформащя, мiцнiсть, комбтоване навантаження, технологiчнi обечайки, розрахунковий випадок, метод сктченних елементiв.

Akimov D. , Gristchak V., Gomenyuk S. , Klimenko D. , Larionov I. , Sirenko V. Experimental analysis of strength and strain state interstage section of carrier rocket at a static external loading

An experimental study of deformation and strength interstage compartment structure (the second and third section) rocket with combined external static load in a number of cases are presented. The experimental results are compared with theoretical calculations based on the finite element method, in relation to the test class of mechanical systems.

Key words: interstage section, testing, deformation, strength, combined loading, the shell process, settlement case, the finite element method.