О некоторых аспектах механического анализа бортовой аппаратуры космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

а нулевые - разомкнутым. Длина канала передачи в жгутовом исполнении может достигать нескольких десятков метров, а в моноволоконном - сотен метров.

Данное устройство сбора информации на основе ВОЦАП позволяет повысить помехозащищенность, имеет невысокую стоимость, простоту конструкции и габариты, совместимые с габаритами бинарных волоконно-оптических преобразователей. Поставленную задачу мы решили, заменив традиционные линии связи волоконно-оптическими линиями связи и проведя мультиплексирование с помощью ВОЦАП. Область применения устройств сбора информации на основе ВОЦАП не ограничивается рассмотренным выше примером.

Библиографические ссылки

1. Гречишников В. М., Конюхов Н. Е. Оптоэлек-тронные и цифровые датчики перемещений со втро-

енными волоконно-оптическими линиями связи. М. : Энергоатомиздат, 1992. 160 с.

2. Зеленский В. А., Гречишников В. М. Бинарные волоконно-оптические датчики в системах управления и контроля. Самара : Самарский научный центр РАН, 2006. 160 с. : ил.

References

1. Grechishnikov V. M., Konyuxov N. E., Optoelektronnye i cifrovye datchiki peremeshhenij so vtroennymi volokonno-opticheskimi liniyami svyazi. M. : Energoatomizdat, 1992. 160 p.

2. Zelenskij V. A. Grechishnikov V. M. Binarnye volokonno-opticheskie datchiki v sistemah upravlenja i kontrolja. Samara : Samarskij nauchnyj centr RAN, 2006 160 p. : il.

© Гречишников В. М., Теряева О. В, 2013

УДК 629.78.015

О НЕКОТОРЫХ АСПЕКТАХ МЕХАНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ

КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

С. В. Дмитриев1, А. С. Орлов2, С. А. Орлов2

:ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения» Россия, 111250, г. Москва, ул. Авиамоторная, 53. E-mail: [email protected] 2ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52. E-mail: [email protected]

Рассматривается подход, позволяющий проводить оценку нагружения бортовой аппаратуры космических аппаратов на механические воздействия с использованием идеологии конечно-элементного моделирования, даются рекомендации по разработке конечно-элементных моделей оборудования.

Ключевые слова: конечно-элементная модель, бортовая аппаратура, вибрация, удар.

ON SOME ASPECTS OF SPACECRAFT ON-BOARD EQUIPMENT MECHANICAL ANALYSIS

S. V. Dmitriev1, A. S. Orlov2, S. A. Orlov2

JSC PRC "Precision Systems and Instruments" 53, Aviamotornaia str., Moscow, 111250, Russia. E-mail: [email protected]

2JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information Satellite Systems" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia. E-mail: [email protected]

An approach allowing to conduct evaluation of the spacecraft on-board equipment structural response to the mechanical loads on the basis of finite element modeling is presented; the recommendations on creation of the equipment finite element models are provided.

Keywords: finite element models, on board equipment, vibrations, shock.

В настоящее время сроки создания новых космических аппаратов (КА) не превышают 3-5 лет, что приводит к требованию о существенном сокращении сроков проектирования и изготовления бортовой аппаратуры (БА) КА. Для сокращения времени разработки БА необходимо максимальное использование численного моделирования на всех этапах проектиро-

вания и отработки аппаратуры. Для механического анализа используются хорошо себя зарекомендовавшие пакеты конечно-элементного моделирования (КЭМ): МАБТКАМ, БУТИАМ и т. д. Обязательными видами воздействий, на которые проводится механический анализ, являются: модальный и квазистатический анализ, расчеты на гармоническую и широкопо-

Решетневскуе чтения. 2013

лосную случайную вибрацию (ШСВ) и ударные нагрузки [1]. При механическом анализе для расчета максимальных напряжений в элементах конструкции прибора наиболее часто используется модель фон Мизеса [2]. При анализе приборов на случайную вибрацию в такой модели используются среднеквадрати-ческие значения напряжений (критерий «3с») [3]. Критерием оценки устойчивости к нагрузкам служит запас безопасности по текучести для металлов и предельной прочности для хрупких материалов, а также отсутствие соударения плат при всех видах нагруже-ния. Если внешнее воздействие на прибор задано в форме ударного спектра ускорений, то первым этапом расчетов на удар является замена ударного спектра ускорений временной функцией [3]. Для проведения расчетов при механическом анализе конструкции в программном комплексе М8С.МЛ8ТКЛМ модели (КЭМ), как правило, разрабатываются в пакете М8С.РЛТКЛК При создании КЭМ силовой части конструкции соблюдается требование максимального соответствия исходной геометрии объектов с использованием трехмерных (3Б) и двумерных (2Б) конечных элементов (КЭ). При разработке КЭМ отдельного элемента конструкции размер конечного элемента назначается с 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 М8С.МЛ8ТКЛМ, 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 несиловой элемент конструкции не влияет существенным образом на механический отклик всей сборки, его можно представить в виде сосредоточенных масс или распределенных 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 и необоснованного усложнения размера задачи. Отверстия для болтовых соединений между элементами конструкции могут быть заполнены материалом в предположении, что это не приведет к сколько-нибудь заметному изменению инерционных и жест-костных характеристик всей конструкции. Объединение КЭ элементов конструкции с различными пространственными размерностями (2Б и 3Б) обеспечивается либо по общим узлам КЭМ стыкуемых компонент, либо с использованием специальных КЭ М8С.МЛ8ТКЛМ, что также может быть использовано для создания различных подсборок различного уровня вплоть до всей сборки конструкции. Минимальные

затруднения при проведении механического анализа представляют типовые приборные блоки, состоящие из корпуса с установленными внутри него многослойными платами с набором различных модулей.

Например, для блока аппаратуры радионавигации общей массой ~7 кг КЭМ, состояла из 115 670 узлов и 331 697 элементов. Максимальное время расчета (анализ прибора на ШСВ) на стандартном персональном компьютере (процессор 15 с 6 Гб оперативной памяти) не превысило 4 часов. Проблемы существенно возрастают при анализе сложных лазерных и оптических систем, включающих в свой состав как электронные блоки, так и сложные оптические и опто-электронные устройства, а также электромеханические приводы и амортизаторы. При этом в конструкции устройств используются, помимо металлов, различные композиционные материалы с существенным разбросом механических характеристик, и, как правило, необходимо использовать различные модели демпфирования при анализе на различные внешние воздействия. Кроме того, в различных частотных диапазонах демпфирование должно приниматься различным. Неправильно заданное демпфирование может привести к тому, что неверный результат даст любой самый корректный вычислительный алгоритм. Определенную проблему составляет и разработка КЭМ амортизаторов: модель амортизаторов должна включать различные модели демпфирования (в связи с существенной нелинейностью). И использование таких моделей требует серьезного обоснования. Например, при массе одного из лазерно-оптических приборов ~40 кг КЭМ состояла из 1 287 546 узлов и 2 899 609 конечных элементов. Для расчетов уже использовался специализированный мультипроцессорный сервер с оперативной памятью на 512 Гб. При этом время расчетов (анализ прибора на ШСВ) составляло около 11 ч. По завершении испытаний на механические воздействия должна быть выполнена в обязательном порядке верификация КЭ модели прибора. Целью верификации разрабатываемых КЭ моделей БА должно быть получение расчетных результатов, которые согласуются с экспериментальными данными в пределах погрешностей эксперимента, что представляет собой достаточно сложную задачу [4]. При ее решении можно выделить несколько этапов:

- определяется количество точек верификации и их местоположение;

- по имеющейся геометрической модели строится КЭ модель, причем на первом этапе принимается «0» демпфирование, а все соединения - жесткими;

- проводится расчет и проверяется обязательное превышение расчетных значений над экспериментальными данными;

- при невыполнении предыдущего требования дорабатывается геометрическая модель;

- далее проводится расчет с минимальными и максимальными значениями демпфирования (при этом рассматриваются различные модели демпфирования), принимаемыми ранее при расчете аналогов БА;

- задаются значения демпфирования для следующих вычислительных шагов, при этом для небольших приборов принимается постоянное демпфи-

рование для всей системы, а в сложных системах вводится различное демпфирование для каждой из подсистем.

Следует заметить, что результаты экспериментов могут содержать существенные погрешности, поэтому до начала процедуры верификации необходимо проанализировать полученные данные.

В докладе приводятся результаты механического анализа различных приборов, даются рекомендации по выбору типов КЭ при построении КЭМ.

Библиографические ссылки

1. Орлов С. А., Копытов В. И. Нормирование и отработка бортовой аппаратуры космических аппаратов на механические воздействия // Вестник СибГАУ. Красноярск, 2013. Вып. 1(47). С. 125-129.

2. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L. The Finite Element Method. Fifth edition. Vol. 1. The Basis. Butterworth Heinemann, 2000. 707 p.

3. Wijker J. Random Vibrations in Spacecraft Structures Design. Springer Science, 2009. 516 p.

4. Babuska I., Oden J. T. Verification and validation in computational engineering and science: basic concepts. Computer Method in Applied Mechanics and Engineering. Eng. 193 (2004). Р. 4057-4066.

References

1. Orlov S. A., Kopytov V. I. Normirovanie i otrabotka bortovoj apparatury kosmicheskih apparatov na mehanicheskie vozdejstvija // Vestnik SibGAU. Krasnojarsk, 2013. Vyp. 1(47). S. 125-129.

2. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L. The Finite Element Method. Fifth edition. Vol. 1: The Basis. Butterworth Heinemann, 2000. 707 p.

5. Wijker J. Random Vibrations in Spacecraft Structures Design. Springer Science, 2009. 516 p.

6. Babuska I., Oden J. T. Verification and validation in computational engineering and science: basic concepts. Computer Method in Applied Mechanics and Engineering. Eng. 193 (2004). Р. 4057-4066.

© Дмитриев С. В., Орлов А. С., Орлов С. А., 2013

УДК 621.396

РАЗРАБОТКА НОВОЙ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ, А ТАКЖЕ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ В КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

В. М. Карабан1, И. Д. Зырин1, 2

1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 40

2ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Разработана новая несущая конструкция в виде рамки для печатных плат. Построены эквивалентные модели применяющейся и новой рамки печатных плат для электронных модулей из алюминия АМГ6. Проведено моделирование на увеличенную нагрузку с линейным ускорением 30 g по различным осям и на собственную резонансную частоту. Проведено внесение дополнительных конструктивных улучшений на основе результатов анализа.

Ключевые слова: рамка, несущая конструкция, ANSYS, печатная плата, резонансная частота, линейное ускорение.

A NEW PRINTED BOARD SUPPORT STRUCTURE DEVELOPMENT AND ITS MECHANICAL ANALYSIS FOR ELECTRONIC MODULES IN SPACECRAFT

V. M. Karaban1, I. D. Zyrin1,2

:Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics 40, Lenina prosp., Tomsk, 634050, Russia 2JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information Satellite Systems" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia

A new printed circuit board equipment practice in the form of a frame was developed. Equivalent models of prior (used today) and new frames for electronic modules on the basis of AMG6 aluminum were constructed. Simulation of power increasing with 30 g linear acceleration along different axes and natural resonance frequency was implemented. Some construction improvements were made on the basis of results analysis.

Keywords: frame, equipment practice, ANSYS, printed circuit board, resonant frequency, linear acceleration.