CC BY
14Инновационные технологии управления и международная кооперация в аэрокосмическом производстве
УДК 629.78.018.3.015
ИННОВАЦИОННЫЙ ПОДХОД ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МЕХАНИЧЕСКОГО БЛОКА УСТРОЙСТВА ПОВОРОТА БАТАРЕИ СОЛНЕЧНОЙ
Т. Г. Хадкевич
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: hadkevic@mail.ru
Изложено краткое назначение устройства поворота батареи солнечной, которое входит в состав системы ориентации и стабилизации. Представлено краткое описание программного модуля для исследования напряженно-деформированного состояния устройства поворота батареи солнечной.
Ключевые слова: устройство поворота батареи солнечной, конечно-элементная модель.
INVESTIGATING STRESS-DEFORMED STATE, MECHANICAL DEVICE FOR TURNING BATTERY SOLAR FOR A SMALL SPACE APPARATUS
T. G. Khadkevich
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: hadkevic@mail.ru
In this paper, we present a summary of the purpose of the device rotate solar battery, which is included in the system orientation and stabilization. The paper contains brief description of the software module to study stress-strain state of the device rotate solar.
Keywords: device rotation, solar, finite element model.
Большинство спутников связи с трехосной стабилизацией на орбите используют солнечные батареи (СБ) для обеспечения необходимой электрической энергии для питания бортового оборудования. Для достижения максимальной эффективности панели СБ должны быть непрерывно ориентированы по отношению к Солнцу таким образом, чтобы солнечные лучи падали по нормали на поверхность фотопреобразователей. Эту задачу выполняет специальное устройство поворота БС (УПБС). Кроме поворота, УПБС обеспечивает передачу электрической энергии и данных между БС и корпусом КА при их относительном движении. УПБС используется для поворота БС с требуемой угловой скоростью и в заданном направлении [1].
УПБС является одним из ключевых и критичных элементов бортового оборудования спутника, и обычно его конструкция оптимизирована для конкретной спутниковой платформы.
Конструкция устройства поворота батареи солнечной состоит из достаточно неоднородных физических компонент (подсборок). Для решения проектных задач, включая самые предварительные оценки параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций, требуется оперативное моделирование с любым уровнем детализации. Несмотря на то, что на ранних этапах проектирования не все ответственные детали конструкции могут быть определены, тем не менее, понимание характера механического поведения определенных компонент могут
существенным образом повлиять на принятие проектных решений [2].
Кроме того, такое моделирование позволяет выявить наиболее критические положения концепции самой конструкции. Как правило, после очередной проектной итерации становится возможным проводить моделирование разрабатываемой конструкции с уточненными исходными данными, при этом круг решаемых задач может расшириться за счет включения новых компонент конструкции и изменения характера взаимодействия между компонентами внутри сложной конструкции [3].
Точность выполняемых прогнозов напряженно-деформированного состояния конструкции будет в значительной степени зависеть от основополагающих математических моделей компонент, их дискретных реализаций и применяемых вычислительных методов [4; 5].
В настоящее время при анализе НДС различных конструкций доминирует метод конечных элементов (МКЭ), поэтому большинство современных программных комплексов, применяемых для решения таких задач, основаны именно на нем. Современные конечно-элементные комплексы общего назначения (к числу наиболее распространенных относятся ANSYS, COSMOS, NASTRAN с пре/постпроцессором PATRAN и др.) предназначены для расчетов на прочность, жесткость и устойчивость любых стержневых и тонкостенных пространственных систем, а также объемных тел в первую очередь на персональных компь-
Решетневские чтения. 2017
ютерах. Программные комплексы ABAQUS, MARC и ряд других нацелены в основном на решение нелинейных задач [6].
Для проведения всех необходимых расчетов при проведении механического анализа конструкции, устройства поворота батареи солнечной на основе разработанной конечно-элементной модели используется программный комплекс MSC.NASTRAN.
При создании КЭМ силовой части конструкции соблюдалось требование максимального соответствия исходной геометрии таких объектов с использованием трехмерных (3D) и двумерных (2D) конечных элементов (КЭ). При разработке КЭМ отдельного элемента конструкции размер конечного элемента назначается c учетом его геометрических особенностей, поэтому плотность сетки КЭ для различных деталей может быть различной.
Для обеспечения механических интерфейсов между деталями с различной плотностью разбиения на КЭ применяются в некоторых случаях специальные КЭ MSC.NASTRAN, обеспечивающие равенство механических работ с каждой стороны механического интерфейса, по которым осуществляется передача усилий от одного объекта к другому в системе, и, в конечном счете, на силовую опорную конструкцию прибора. При этом эффекты от возможных соприкосновений между ними в процессе деформирования не рассматриваются.
В тех случаях, когда не силовой элемент конструкции не влияет существенным образом на механический отклик всей сборки, его можно представить в виде сосредоточенных масс или распределенными по протяженным поверхностям соответствующей опорной конструкции.
На основе КЭМ могут быть оценены массово-центровочные характеристики компонент и всей сборки в целом.
При разработке КЭМ исходная геометрия элемента конструкции может быть преобразована с целью ее упрощения без существенного изменения ее объема, а также для исключения возникновения КЭ с существенно малыми габаритами для исключения необоснованного усложнения размера задачи.
Отверстия для болтовых соединений между элементами конструкции могут быть заполнены материалом в предположении, что это не приведет к сколь-нибудь заметному изменению инерционных и жесткостных характеристик всей конструкции.
Объединение КЭ элементов конструкции с различными пространственными размерностями (2D и 3D) обеспечивается либо по общим узлам КЭМ стыкуемых компонент, либо с использованием специальных КЭ MSC.NASTRAN, что также может быть использовано для создания различных подсборок различного уровня вплоть до всей сборки конструкции УПБС.
Результаты исследования напряженно-деформированного состояния УПБС представлены на XXI Меж-
дународной научно-практической конференции «Решетневские чтения» (8-11 ноября 2017 года, г. Красноярск) в тезисах статьи Т. Г. Хадкевича, Д. Б. Усманова «Исследование напряженно-деформированного состояния механического блока устройства поворота батареи солнечной для малого космического аппарата».
Библиографические ссылки
1. Чеботарев В. Е. Проектирование космических аппаратов систем информационного обеспечения : учеб. пособие. В 2 кн. Кн. 1. Внешнее проектирование космического аппарата / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2004. 132 с.
2. Технология производства космических аппаратов : учебник для вузов / Н. А. Тестоедов [и др.] ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2009. 352 с.
3. Рычков С. П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М. : ДМК Пресс, 2013. 784 с.
4. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. М. : Высш. школа, 1980. 408 с.
5. Математическое моделирование в нелинейной механике (обзор программных комплексов для решения задач моделирования сложных систем) / Е. Н. Чу-маченко [и др.] ; Институт космических исследований РАН. М. : Ротапринт ИКИ РАН, 2009. 23 с.
6. Максимов Г. Ю. Теоретические основы разработки космических аппаратов. М. : Наука, 2004. 320 с.
References
1. Chebotarev V. E. Proyektirovaniye kosmicheskikh apparatov sistem informatsionnogo obespecheniya [Design of space vehicles for information support systems] / Sib. gos. airoskomich. un-t. Krasnoyarsk, 2004, 132 p.
2. Tekhnologiya proizvodstva kosmicheskikh apparatov [Technology of production of space vehicles] / N. A. Testoedov [et al.] ; Sib. gos. airoskomich. un-t. Krasnoyarsk, 2009. 352 p.
3. Rychkov S. P. Modelirovaniye konstruktsiy v srede Femap with NX Nastran [Modeling of structures in the environment Femap with NX Nastran]. M. : DMK Press Publ., 2013. 784 p.
4. Biderman V. L. Teoriya mekhanicheskikh kolebaniy [Theory of mechanical oscillations]. M. : Vysshaya Shkola Publ., 1980. 408 p.
5. Matematicheskoye modelirovaniye v nelineynoy mekhanike [Mathematical modeling in nonlinear mechanics] / Ye. N. Chumachenko [et al.]. M. : Rotaprint IKI RAN Publ., 2009. 23 p.
6. Maksimov G. Yu. Teoreticheskiye osnovy razrabotki kosmicheskikh apparatov [Theoretical basis for the development of space vehicles]. M. : Nauka Publ., 2004. 320 p.
© Хадкевич Т. Г., 2017
