CC BY
30<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК [629.042:629.783]
ЛОКАЛЬНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ СЕТЧАТОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ В ЗОНЕ УСТАНОВКИ КОМПОЗИТНОГО БАКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ*
А. А. Хахленкова*, А. В. Шатов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
Рассматривается способ уменьшения локальных деформаций силовой конструкции космического аппарата в зоне установки композитного бака высокого давления при воздействии боковой перегрузки.
Ключевые слова: конечно-элементное моделирование, сетчатая цилиндрическая оболочка, композитный бак высокого давления, силовая конструкция космического аппарата.
LOCAL STRAINING OF LATTICE CYLINDRICAL SHELL IN LOCATION AREA OF HIGH-PRESSURE COMPOSITE TANK
A. A. Khakhlenkova*, A. V. Shatov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Ave., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The research considers the way reducing local deformations of a spacecraft load-bearing unit in the zone where a high-pressure composite tank of high pressure attackable by a side overload is installed.
Keywords: finite-element modelling, lattice cylindrical shell, high-pressure composite tank, load-bearing unit of spacecraft.
Многие годы композитные сетчатые оболочки, обладающие высокой удельной прочностью и жесткостью, находят применение в ракетной и космической технике [1—3]. В последнее время композитные сетчатые цилиндрические оболочки широко применяются в качестве корпусов КА. Сетчатая оболочка является несущей (силовой) конструкцией, к которой присоединяются приборы и механизмы КА. Внутри силовой конструкции КА тяжелого класса с помощью ванто-вой конструкции закреплен один из основных элементов его двигательной установки - композитный бак высокого давления (рис. 1). Основное назначение бака - хранение ксенона массой не менее 350 кг, при этом масса самой конструкции бака не превышает 38 кг [4].
Известно, что при выведении на орбиту космический аппарат испытывает значительные продольные и боковые перегрузки. Восприятие механических нагрузок осуществляется его силовой конструкцией, основным элементом которой и является сетчатая цилиндрическая оболочка. Поэтому особый интерес представляет анализ сетчатой оболочки в местах размещения различного оборудования, и, в частности, в зоне установки бака.
Для анализа локального деформирования сетчатой конструкции в зоне установки бака была создана ко-
нечно-элементная модель (КЭМ) [5], которая представляет собой пространственную раму из набора двухузловых элементов типа BEAM (рис. 2). Конструкция бака, включая полную заправку ксеноном (388 кг), имитировалась как жесткий элемент типа RIGID, имеющий в центральном узле элемент типа MASS. Соединение бака с сетчатой оболочкой осуществлялось с помощью набора элементов типа BEAM, причем в этих элементах было задано предварительное натяжение величиной от 500 до 1 000 Н.
Нагружение КЭМ боковой перегрузкой показывает, что в зоне крепления бака присутствуют значительные локальные прогибы (рис. 3). Уменьшение этих прогибов будет способствовать повышению местной прочности сетчатой оболочки. Усилить зону установки бака можно, например, путем добавления некоторого набора кольцевых ребер. Участок сетчатой оболочки без усиления и схемы усиления представлены на рис. 4.
В таблице приведены значения прогибов сетчатой конструкции в зоне установки бака от действия поперечной перегрузки величиной 5g в зависимости от силы натяжения вант и выбранной схемы усиления.
Анализ полученных данных показывает эффективность введения в сетчатую оболочку дополнительных кольцевых ребер в зоне установки бака.
* Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации, уникальный идентификатор проекта RFMEF157414X0082.
проектирование и производство летательных, аппаратов, космические исследования и проекты
Рис. 3. Локальное деформирование Рис. 4. Усиление сетчатой конструкции
сетчатой оболочки в зоне установки бака в зоне максимальных прогибов
Значения прогибов сетчатой оболочки в зоне установки бака
Усилие натяжения вант, H Максимальный прогиб в зоне размещения бака, мм
Без дополнительных кольцевых ребер Дополнительные ребра по схеме № 1 Дополнительные ребра по схеме № 2 Дополнительные ребра по схеме № 3
500 3,13 2,89 3,01 2,86
600 3,17 2,91 3,04 2,87
700 3,22 2,93 3,07 2,89
800 3,26 2,95 3,10 2,91
900 3,30 2,97 3,13 2,92
1000 3,34 2,99 3,16 2,94
Представленные результаты могут применяться при проектировании сетчатых конструкций для космической отрасли.
Библиографические ссылки
1. Vasiliev V., Barynin V., Rasin A. Anisogrid lattice structures - survey of development and application // Composite Structures. 2001. Vol. 54. P. 361-370.
2. Vasiliev V., Razin A. Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications // Composite Structures, 2006. Vol. 76. P. 182-189.
3. Анизогридные композитные сетчатые конструкции - разработка и приложение к космической технике / В. В. Васильев, В. А. Барынин, А. Ф. Разин и др. // Композиты и наноструктуры. 2009. № 3. С. 38-50.
4. Синьковский Ф. К. Опыт наземной экспериментальной отработки композитного бака высокого давления для космического аппарата // Вопросы оборонной техники. 2014. № 3 (174). С. 56-62.
5. Рычков С. П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М. : ДМК Пресс, 2013. 784 с.
References
1. Vasiliev V., Barynin V., Rasin A. Anisogrid lattice structures - survey of development and application // Composite Structures. 2001. Vol. 54. P. 361-370.
2. Vasiliev V., Razin A. Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications // Composite Structures. 2006. Vol. 76. P. 182-189.
3. Vasiliev V. V., Barynin V. A., Rasin A. F. [Anisogrid composite lattice structures - development and space applications] // Kompozity i nanostruktury. 2009. № 3. P. 38-50 (In Russ).
4. Sin'kovskiy F. K. [Experience of land experimental testing of a high-pressure composite tank for the spacecraft] // Voprosy oboronnoy tekhniki. 2014. № 3 (174). P. 56-62. (In Russ.)
5. Rychkov S. P. Modelirovanie konstrukcij v srede Femap with NX Nastran [Structure simulation in Femap with NX Nastran sphere]. Moscow : DMK Press, 2013. 784 p.
© XaxneHKOBa A. A., fflaTOB A. B., 2016
