CC BY
91
Do Ming Chieu, postgraduate, dom@student.bmstu.ru, Russia, Moscow, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Bauman Moscow State Technical University»
УДК 004.942
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-11-61-76
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ANSYS MECHANICAL
А.В. Фролов, М.В. Воронов, А.А. Медельцев, К.А. Седова, П.А. Шаповалов
Приведён обзор различных подходов к численному моделированию сварных соединений с учётом воздействующих на систему внешних факторов, а также рассмотрены метод сварки и прочие особенности, влияющие на конструкцию во время её эксплуатации. Анализ таких соединений зачастую затруднён ввиду сложности геометрии и самих моделей сварных швов. Поэтому в работе предлагается применить метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет в упрощённой и достаточно точной постановке моделировать и анализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) сварных швов. Рассмотрены различные варианты моделирования сварных соединений как с оболочечными, так и с твердотельными элементами, сделаны выводы о точности результатов для различных подходов к их моделированию. Проведён детальный анализ НДС околошовной области и сварных швов в ANSYS Mechanical при наличии концентраторов напряжений. По результатам каждого способа приведены зависимости рассчитанных усреднённых значений НДС в сварных соединений и расчётных узлов КЭ сетки.
Ключевые слова: численное моделирование, сварные соединения, Ansys Mechanical, оболочечные и твердотельные элементы, метод конечных элементов.
Условия эксплуатации металлических изделий со сварными соединениями, подверженных значительным внешним воздействиям, могут, в частности, приводить к возникновению критических напряжений в окрестности сварного шва. В связи с этим для проверки выбранного технологического решения целесообразно проводить предварительные расчёты НДС указанных соединений.
Для расчёта сварных швов хорошо зарекомендовал себя МКЭ. В пакете ANSYS имеются специализированные инструменты, при использовании которых шов моделируют в виде углового таврового шва, показанного на рис. 1 [1-3].
■
/ 1 ■ \
^т шт J- ■ н ■
Рис. 1. Традиционное представление углового таврового сварного шва
для моделирования его НДС
В работах [1, 10] область сварного шва при моделировании разделяют на несколько подобластей: корень шва, область наплыва и сам сварной шов, представленный в виде линии, которая охватывает соединения двух тел (рис. 2).
Кроме способов моделирования топологии сварного шва, можно выделить два подхода, которые заключаются в использовании твердотельных SOLID-186 либо оболочечных SHELL-181 конечных элементов для расчётного комплекса Ansys [4].
Комбинируя возможные варианты моделирования расчётной геометрии сварного шва и типов конечных элементов, можно разработать несколько методических подходов по разработке конечно-элементных моделей (КЭМ) сварных соединений для расчёта НДС, приведённых в таблице.
Цель исследования - разработка и сравнение КЭМ сварных швов, исходя из разработанных подходов, для расчёта их НДС. Сравнение полученных расчётных подходов осуществляется по требуемым машинным расчётным ресурсам.
Сварные соединения мало- и крупногабаритных конструкций подразделяют на стыковые, нахлёсточные и тавровые [4]. В разработанных подходах по созданию КЭМ сварных соединений принимается ряд допущений:
Внешняя цоверхиасгь сварною шва
Рис. 2. Моделирование реального сварного шва
• не учитываются значения концентраторов напряжений, связанных с геометрией сварного шва;
• материал шва принимается однородным и изотропным;
• не рассматриваются сварные деформации (во время и после процесса сварки);
• физико-механические свойства материала сварного шва и околошовной зоны принимаются такими же, как у основного металла, сварочный шов принято считать равнопрочным с основным металлом;
• не учитываются особенности сварочного процесса;
• упрощение формы шва, за исключением более подробного способа моделирования сварного соединения, где рассматривается детальная модель сварного шва;
• температуры сварных швов и околошовной зоны приняты соответствующими нормальным условиям.
Методические подходы к моделированию сварных соединений _в расчётном пакете Лгщкъ_
№ способа Способы моделирования сварных соединений Тип элемента конструкции / сварного шва Исследуемая область
1 Weld (инструмент для построения сварного шва соединением геометрии) Оболочечные / оболочечные Стык, сварные швы
2 Weld Meshing (инструмент для создания шва сеточным соединением) Оболочечные / оболочечные Стык, сварные швы
3 со сварными швами (твердотельные элементы) Оболочечные / твердотельные Стык, сварные швы
4 без сварных швов (жёсткий стык) Твердотельные Стык
5 подмоделирование упрощённой балочной конструкции Твердотельные / твердотельные Околошовная область, сварной шов
Примечание: далее в работе будут использоваться номера способов моделирования сварных швов.
Расчёты проводились в АО «ЦНИИАГ» на рабочей станции со следующими характеристиками: оперативная память - 256 Гб, количество ядер - 32, графический процессор - NVIDIA Quadro RTX 6000.
Разработка расчётных конечно-элементных моделей сварных швов осуществлялась с использованием пакета прикладных программ Ansys 2021R1 в программном комплексе Mechanical (АО «ЦНИИАГ» Customer Number: 1069746). Для создания твердотельных моделей использовался геометрический препроцессор Ansys SpaceClaim.
Для моделирования и расчёта НДС сварных швов использовался пример простой балочной конструкции из стали (рис. 3). Важным критерием моделирования является: отношение габаритов сварных швов к габаритам балок, а в рассматриваемой конструкции указанное отношение отличается на несколько порядков.
Рис. 3. Схема закрепления и нагружения простой балочной
конструкции
Контактные пары «шов - балка» для КЭМ схемы (см. рис. 3) фиксируются с помощью связанного типа контакта «bonded» (способ задания контактной пары для КЭМ в расчётном пакете Ansys; тела жёстко связаны друг с другом без возможности взаимного движения).
Рассмотрим упрощённый подход по моделированию сварочных швов таврового типа с помощью оболочечных элементов (способы № 1 и 2, табл. 1).
Применение методов Weld - для способа № 1 и Weld Meshing (обо-лочечные элементы) - для способа № 2.
Ansys позволяет моделировать сварные соединения с помощью поверхностных элементов (элементов SHELL-181) двумя основными методами. Один из методов, для способа № 1, заключается в представлении сварного шва в виде замкнутой поверхности (инструмент «Weld» - функция в пакете Ansys SpaceClaim для работы с моделями деталей, в том числе и поверхностными), второй метод, для способа № 2, предусматривает представления сварного шва в виде двух поверхностей (инструмент «Weld Meshing»).
Расчёт НДС с помощью КЭМ соответствует конструкции, показанной на рис. 3, с реализацией упрощения геометрии стыков (рис. 4). Все тела в модели являются поверхностными элементами типа SHELL-181 с сеткой разного размера и разной толщины.
С помощью инструмента «Weld» модуля SpaceClaim удалён зазор между телами балок для их соединения (рис. 4, а), что фактически моделирует сварной шов в виде замкнутой поверхности. Использование инструмента «Weld Meshing» позволяет напрямую в интерфейсе Mechanical создавать сварные швы в виде отдельных поверхностных тел (рис. 4, б).
Способы моделирования сварного шва № 1 и 2 позволяют использовать КЭМ (рис. 5, а и б) для получения оценочных результатов НДС, что окупается простотой применения указанных методов, которые в работе [5] называются методами условных напряжений.
64
Сварной шов «Weld Meshing»
Сварной шов «Weld»
а
б
Рис. 4. Конструктивные модели стыка сварных соединений: а - на основе добавления шва в качестве отдельной поверхности
(способ № 1); б - на основе двух поверхностей (способ № 2)
У КЭМ сварного шва, для способа №1 (рис. 5, а), при моделировании балок применялись поверхностные конечные элементы типа SHELL-181 с увеличенным размером элемента гексагональной формы с длиной стороны 5 мм, и толщиной 2,5 мм, а для сварных швов использовались элементы типа SHELL-181 гексагональной формы с длиной стороны в 10 раз меньшего размера. Для способа № 2 (рис. 5, б) КЭМ состоит: для нижней балки конечные элементы типа SHELL-181 с увеличенным размером элемента тетраэдрической формы с длиной стороны 3 мм и толщиной 2,5 мм, а шов моделировался элементами в 10 раз меньшего размера.
Основные значения напряжений в сварном шве, рассчитанные по способу №1, видны на отрезке 1 (рис. 5, в) и в диапазоне от 18 до 20 МПа при среднем значении 19 МПа. Для способа № 2 основные значения напряжений находятся на отрезке 2 (рис. 5, г) в диапазоне от 24 до 27 МПа при среднем значении 25,5 МПа. Разница для средних значений напряжений составили 6,5 МПа или 25 % от большей величины.
В начале статьи было принято допущение о пропуске концентраторов напряжений для рассматриваемых случаев моделирования. Для данного расчета концентраторами считаются области напряжений, превышающие предел текучести для стали 200 МПа. На рис. 6 отображены области, в которых значения напряжений в сварных швах превышают указанные предельные значения.
Рассмотренный способ моделирования сварных соединений не является ресурсоёмким, поэтому он подходит для быстрого оценочного анализа.
Применение моделирования балочного стыка со сварными швами (твердотельные элементы) - способ № 3 и с их отсутствием (жёсткий стык) - способ № 4.
Для способов № 3 и 4 использовалась расчетная схема, показанная на рис. 3. Детали для стыка смоделированы твердотельными элементами
SOLID-186 гексагональной формы с длиной ячейки 10 мм. Околостыковой объём смоделирован такими же элементами с длиной стороны в 5 раз меньше. Стык в КЭМ для способа № 3 моделировался с помощью связанного контакта типа «bonded» без возможности взаимного перемещения (рис. 7, а). Для способа № 4 использовался стык типа «без трения» (Fric-tionless), разрешающий перемещение стыка вдоль плоскости контакта без отрыва и трения. При этом твердотельная модель сварного шва (рис. 7, б), рассчитанная согласно традиционному представлению углового таврового сварного шва (см. рис 1 и 2) и смоделированная элементами SOLID-186 гексагональной формы с длиной ячейки 0,5 мм, контактирует с балками по типу «bonded».
в г
Рис. 5. КЭМ сварного шва для способов № 1 и 2 и рассчитанные эквивалентные напряжения в сварных швах: а - на основе способа № 1; б - на основе способа № 2; в - напряжения для способа № 1; г - напряжения для способа № 2, 1 и 2 - отрезки постоянных напряжений;
3 и 4 - концентраторы напряжений)
Рассчитанные силовые смещения околошовных областей (рис. 7) показали, что физическое моделирование сварного шва с помощью твердотельных элементов - способ № 4 (рис. 8, а) - показывает большее значение деформаций от нагрузки по сравнению со способом № 3 (рис. 8, б) на 0,039 мм или на 7,5 % от большего значения.
66
а
б
Рис. 6. Визуализация концентраторов напряжений в сварных швах: а - концентратор на швах для способа № 1; б - концентратор на швах
для способа № 2
Стык балочного
а б
Рис. 7. КЭМ из твердотельных элементов SOLID-186: а - контакт балок типа «bonded.» (способ № 3); б - контакт балок: без трения «Frictionless» и со сварным швом (способ № 4)
0,47311 Мах
0,43938
0,40564
0,37191
0,33817
0,30444
0,2707
0,23697
0,20323
0.1695
0,13576
0,10203
0,068292
0,034557
0,0008223 Mill
а
I
0,51166 Мах
0,47518
0,4387
0,40222
0,36575
0,32927
0,29279
0,25631
0,21983
0,16336
0,14688
0,1104
0,073923
0,037445
0,00096718 Mill
б
Рис. 8. Распределение полных смещений стыка конструкции: а - стык без швов; б - стык со швами
На рис. 9, a и 9, б отображены области, в которых значения напряжений в сварных швах превышают указанное предельное значение (200 МПа).
а
б
Рис. 9. Визуализация областей концентраторов напряжений в КЭМ сварных швов: а - стык по способу № 3; б - стык по способу № 4
По результатам рассчитанных напряжений видно повышенное их значение в 1,5 раза для способа № 4 по сравнению со способом № 3 (рис. 10).
Рис. 10. Рассчитанные эквивалентные напряжения балочного стыка конструкции для способов № 3 и 4 и напряжения в сварных швах с наличием концентратора напряжения: а - для способа № 3; б - для способа № 4; в - напряжения в сварных швах; 1 и 2 - отрезки постоянных напряжений 68
Напряжения на стыках конструкции без сварных швов по способу номер №3 (рис. 10, а) варьируются в диапазоне от 5 до 8 МПа при среднем значении 7 МПа. Значения напряжений в сварных швах увеличились по сравнению с оболочечным типом элементов. Это объясняется наличием твердотельных элементов. В среднем напряжения на основной части сварного шва увеличились с 19 - 25 МПа по сравнению со способами №1 и 2 до 27 - 28 МПа.
Концентраторы напряжений располагаются по вершинам стыка двух балок (значения напряжений более 200 МПа).
Применение метода подмоделирования (submodeling) к сварным соединениям - способ № 4.
В прочностных исследованиях НДС рассматривают локальную область конструкции, сосредоточенную в её узлах при наличии концентраторов напряжений, и, таким образом, в расчётах предельной прочности нередко используют метод подмоделирования.
Суть данного метода заключается в проведении расчётов в два этапа. На первом этапе строится полная конечно-элементная модель конструкции с грубой сеткой, на втором этапе подмодель интересующего узла конструкции по необходимости с нелинейными свойствами материала, а также с густой сеткой. Данный способ показывает лучшую точность результатов.
Рассмотрим геометрию углового сварного шва, которая представляет собой соединение двух деталей под углом. Угловой сварной шов должен обеспечивать полное соединение с корнем [4] и иметь минимальный приемлемый размер (с точки зрения толщины горловины или высоты шва) по всей своей длине.
На рис. 11 показана область конструкции для подмоделирования, где более подробно описана форма сварного шва и околошовной области, полностью состоящих из твердотельных элементов. В препроцессоре SpaceQaim с помощью специальных инструментов была построена модель стыка конструкции и сварного шва с учётом скруглений (рис. 11, б). Такой метод, называющийся «метод эффективных напряжений в закруглённой выемке», применяется в работе [5].
Высота Н сварного шва составляет 10 мм (рис. 12) , его длина L -80 мм, а ширина - 50 мм. Размер закруглённых выемок - 1 мм. Общая длина околошовной области - 112 мм, расстояние от сварного шва - 30 мм, её высота - 15 мм.
На рис. 12 КЭМ для расчета по способу №5 полностью состоит из твердотельных элементов SOLID-186.
Использована гексагональная структурированная сетка из элементов второго порядка на всех телах. Размер ячейки в околошовной области сварного шва в 10 раз меньше размера на стальных балках. К самому сварному шву применялся тетраэдрический метод с размером ячейки в 20 раз меньше основного. Количество узлов в рассматриваемой подмодели составляет более 5,3 млн.
сварной шов
а б
Рис. 11. Подготовка геометрии к подмоделированию: а - общий вид конструкции соединения балок; б - твердотельная модель сварного шва для формирования КЭМ по способу № 5
Рис. 12. КЭМ по способу №5 со сгущением в сварном шве и околошовной области: а - общий вид; б - приближенный вид
Для выполнения расчёта к узлу прикладывается та часть вектора предельных сил (рис. 13), которая попадает на подмодель, а граничными условиями являются перемещения границы узла, полученные из решения оценочной модели всей конструкции на первом этапе (см. рис. 3).
0,63521 Мах
0,56477
0,49433
0,42389
0,35344
0,283
0,21256
0,14212
0,071677
0.0012348 Мт
Рис. 13. Импорт граничных условий для метода подмоделирования
Поле распределения максимальных смещений стыка конструкции осталась такой же, как и в предыдущих исследованиях, но значительно увеличились значения концентратора напряжений на углах стыка балки, на которую прикладывается нагрузка (рис. 14).
1
0,64247 Мах
0,596 59
0,55071
0,50<№3
0,45095
0,41307
0,36719
0,32131
0,27543
0,22955
0,10367
0,13779
0,091914
0,046034
0,00015378 Min
а б
Рис. 14. Распределение полных смещений и напряжений стыка конструкции: а - смещения; б - напряжения по Мизесу
Полученные значения напряжений в околошовной области сварного шва показывают наличие концентратора в угловых зонах. На рис. 15 видно, что напряжения в околошовной области (см. рис. 11,б) варьируются от 160 до 180 МПа.
■
15214 Мах
250 220 190 160 130 100 87,507 75,014 62,521 50,028 37,535 25,042 12,549
0,056148 Min
Рис. 15. Распределение значений напряжений по Мизесу в околошовной области сварного соединения
На одной из поверхностей околошовной области в препроцессоре SpaceQaim отображены грани для анализа поверхностного напряжения.
Также был выполнен анализ околошовной области методом «горячей» точки по методике, изложенной в работе [5]. Напряжения, возникающие в окрестности кромки сварного шва в перпендикулярном шву направлении, называют напряжениями «горячей» точки (рис. 16).
■
4660,9 Мах
250
220
190
160
130
100
89,313
78,626
67,938
57,251
46,564
35,877
25,19
14,502 Мт
/
Рис. 16. Линия для оценки распределения напряжений на поверхности околошовной зоны
Значения напряжений, возникающие на поверхности околошовной зоны, зависят от размера сетки [5], но, по мере увеличения расстояния от сварного шва, распределение напряжений становится одинаковым для всех размеров сетки. Данный метод требует регулярной сетки с элементами, расположенными вблизи сварного шва [5], что может потребовать больше времени для построения расчётной задачи. Расстояния, на которых должно быть получено напряжение для экстраполяции напряжения "горячей" точки, обычно определяются в стандартах и зависят от размеров сварных деталей и размера сетки.
Рассчитанные по способу № 5 напряжения в сварном шве распределены по основному отрезку 1, показанном на рис. 17, и варьируются от 4 до 9 МПа.
Рис. 17. Значения напряжений в сварном шве по способу № 5: 1 - отрезок постоянных напряжений
Концентраторы напряжений (рис. 17) (свыше 200 МПа), не использующиеся в анализе, расположены в угловых областях шва.
Полученные данные НДС, рассчитанные по представленным способам, сведены в рис. 18.
я С
30
25
х -
а
а
х
X в.
¡а
V
га «
к
3 =
-
X о к
4 и с,
и
20
15
10
0,7
0,6 2 3
2
0,5
0,4
0,3
п.
0,2
с.
с.
0,1
(обояоэдчный тип)
М ^^ .'11:1 ^ (обр |ь :": ::: |."
осз сварных ШВОВ 4 жестким СТЫК) (твсрДОГСЛЬНЬШ тип)
а
СО СВ;фНЬ[М]1 ШВВМ11 Цо^МОДОДфОВВНМС
■гьердоте::;!: |ш|) (тверДОТеЯЬКЫЙ тип)
600
и 500
(Т)
ъс —
0
1
5.3 млн.
/
/
400
/
£ 300
/
200
155,4 тыс.
205.2 тыс.
/
5 100
I
¡8,9 тыс.
19,3 тыс.
£
\Vcld {оболочечный тип) \Vcld Ме&Ъй^
(оболочечный тип)
осз сварных швов (жесткий стык) (твердотельный Т1Ш)
со сварными швами (твердотельный тип)
Подмоделнрованне (твердотельный тип)
б
Рис. 18. Графики рассчитанных усреднённых значений НДС в сварных соединениях и расчётных узлах КЭМ: а - график зависимости значений напряжений от деформаций в сварных соединениях; б - график зависимости количества расчётных узлов КЭМ от способа моделирования; 1 - средние напряжения в сварных швах; 2 - деформации на стыке конструкции
Из рис. 18, б видно, что количество расчетных узлов КЭМ увеличивается от одного способа к следующему. Поэтому очевидно, что время расчета моделей для первых двух способов и последнего будут существенно отличаться. Между тем, из рис. 18, а следует, что значения средних напряжений 1 и деформаций на стыке 2 не коррелируют с размером расчетной КЭМ.
73
1
Если порядок деформаций 2 примерно одного порядка: от 0,47 до 0,63 мм, то значения напряжений 1 (см. рис. 18, а) меняются от 5 до 28 МПа. Безусловным остается то, что размер и качество КЭМ дает более достоверные результаты значений деформаций и напряжений. В этом отношении способ №5 является самым точным, но наиболее затратным, поскольку по количеству расчетных узлов, от похожих по объёму КЭ способов №1 и 2, способ № 5 отличается в 265 раз. Иными словами, расчет соединения, условно, может занимать от 1 до 265 часов.
Поэтому, оценивая точность и объем возможной задачи исходя из размеров КЭМ, можно сделать следующие выводы по применению представленных вариантов.
Моделирование сварных соединений способами №1 и 2, представленными в табл. 1, с использованием оболочечных элементов удобно применять для первичной оценки НДС в сварных конструкциях вследствие простоты подготовки КЭМ и высокой скорости расчётов.
Способы №3 и 4 (табл. 1), применяемые к конструкции из твердотельных элементов как с отсутствием сварных швов, так и с их наличием, можно использовать для расчётов больших сборок, где необходимо использование именно твердотельных элементов, а большое количество швов не позволяет моделировать их все.
Способ подмоделирования сварных соединений № 5 целесообразно использовать для точного расчёта НДС в отдельно исследуемом сварном соединении, поскольку такой подход обеспечивает наибольшую точность результатов. Однако следует учитывать наибольшую потребность в расчетных ресурсах из разработанных способов получения КЭМ сварных швов.
Список литературы
1. Grill J. Parts of A Weld - Weld Components with Diagram. January,
2022.
2. Pedersen M. M. Introduction to metal fatigue. Department of Engineering, Aarhus University. 2018, Denmark. 91 p. Technical report ME-TR-11.
3. Rathi S., Gurule N. Study & development of a Computer assistance in selection of fatigue design recommendations for welded joints. April, 2014. DOI: 10.13140/2.1.3044.7045
4. Цыганская Л.В., Василенко Д.А. Определение коэффициентов локальной концентрации напряжений в сварных соединениях вагонных конструкций. М., 2009.
5. Обзор Weld Meshing - инструмента моделирования сварных соединений в Ansys Mechanical. CADFEM CIS, 2022.
6. Никифоров Р.В., Муругова О.В. Анализ остаточных напряжений после сварки конструкций сложной пространственной геометрией с криволинейными траекториями сварных швов // ФГБОУ ВО УГАТУ, 2020.
74
7. ANSYS Mechanical 2021 R1 User Guide. August 2021. ANSYS
Inc.
8. Филатов А.Р. Метод проектирования судовых конструкций с использованием комплексного подхода к оптимизации топологии, размеров и формы: дис. ... канд. техн. наук. СПБ: 2020.
9. Цыганская Л.В., Василенко Д.А. Определение коэффициентов локальной концентрации напряжений в сварных соединениях вагонных конструкций. М., 2009.
10. Dr. Heyes P., Mentley J. Fatigue Analysis of Seam Welded Structures using nCode DesignLife. 2013, WPDL_201303-1.
11. Каталог «Электроды для ручной дуговой сварки». М., 2011.
12. Campagnolo A., Ferro P., Romanin L., Meneghetti G. Residual Notch Stress Intensity Factors in Welded Joints Evaluated by 3D Numerical Simulations of Arc Welding Processes. Materials 2021, 14. 812.
Фролов Александр Владимирович, канд. техн. наук, начальник отдела, frolov@frolov.moscow, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»,
Воронов Максим Владимирович, инженер 1 категории, duality696@mail. ru, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»,
Медельцев Антон Александрович, инженер-конструктор 1 категории, medeltsev@,hotmail.com, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»,
Седова Карина Алексеевна, инженер, karma. sed@ya. ru, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»,
Шаповалов Петр Анатольевич, начальник лаборатории, kinik.keni@yandex.ru, Россия, Москва, АО «ЦНИИАГ»
MODELING OF THE STRESS-STRAIN STATE OF WELDED JOINTS IN ANSYS MECHANICAL
A.V. Frolov, M.V. Voronov, A.A. Medeltsev, K.A. Sedova, P.A. Shapovalov
An overview of various approaches to the numerical modeling of welds is given, taking into account the external factors affecting the system, as well as the welding method and other features that affect the design during its operation. The analysis of such welds is often difficult due to the complexity of the geometry and the models of welds themselves, therefore, the paper proposes to apply the finite element method (FEM), which allows, in a simplified and, at the same time, sufficiently accurate formulation, to model and analyze the StressStrain State (SSS) of welds. Various options for modeling welds, both with shell and solid elements, are considered, conclusions are drawn about the accuracy of the results for various approaches to their modeling. A detailed analysis of the SSS of the near-weld region and welds in ANSYS Mechanical in the presence of stress concentrators was carried out. According to the results of each method, the dependences of the calculated average values of SSS in welds and the calculated nodes of the FE mesh are given.
Key words: numerical simulation, welded joints, Ansys Mechanical, shell and solid elements, finite element method.
Frolov Aleksandr Vladimirovich, candidate of technical sciences, head of division, frolov@ffrolov.moscow, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Voronov Maksim Vladimirovich, CAE-engineer, duality696@,.mail. ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Medeltsev Anton Aleksandrovich, CAE-engineer, medeltsev@hotmail.com, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Sedova Karina Alekseevna, engineer, karina. sedaya. ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Shapovalov Petr Anatolievich, head of laboratory, kinik.keni@yandex.ru, Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
УДК 629.7.054
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-11-76-86
АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ МАТРИЦЫ МАСШТАБНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ БИНС ПО РЕЗУЛЬТАТАМ КАЛИБРОВКИ
В.П. Подчезерцев, А.В. Кулешов, М.П. Голиков, А.Б. Тихомиров
Применение бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) в современных летательных аппаратах предъявляет достаточно жесткие требования к точности аттестации параметров этих систем. Алгоритмы контрольных испытаний должны обеспечивать в полном объеме определение всех параметров системы, необходимых для точного управления пространственным положением летательных аппаратов в сложных условиях эксплуатации. Предложен аналитический метод построения матрицы масштабных коэффициентов БИНС, даны некоторые практические алгоритмы решения задачи калибровки БИНС, а также показаны варианты учета влияния условий эксплуатации и возможностей бортовых вычислителей.
Ключевые слова: бесплатформенная инерциальная система, гироскопы, акселерометры, алгоритмы калибровки.
Использование в современных высокоманевренных летательных аппаратах (ЛА) бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) связано с их существенными преимуществами в сравнении с другими средствами навигационного обеспечения этих объектов. Особенно это касается систем, обеспечивающих обороноспособность страны, в которых одним из важнейших условий функционирования являются их высокая надежность и защищенность от неблагоприятных факторов внешней среды или возможного внешнего умышленного нарушения доступа к дополнительным источникам навигационной информации - радиотехническим, оптическим, спутниковым и другим системам. Бесплатформенные системы, являясь существенно более технологичными в сравнении
76
