CC BY
33:Контроль и испытания ракетно-космической техники
УДК 621.817
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИБРОПРОЧНОСТИ ПРИВОДОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Н. И. Козлова, Р. С. Лукин
Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: natalya.skropotova@mail.ru
В статье изложены основные принципы отечественной системы обеспечения вибропрочности изделий ракетно-космической техники. Представлены принципы построения модели для расчета вибропрочности привода космического аппарата.
Ключевые слова: космический аппарат, вибропрочность, конечно-элементная модель, вибрационные испытания.
PROVIDING THE VIBRATION STRENGTH OF SPACECRAFT DRIVES WITH FINITE ELEMENT METHOD
N. I. Kozlova, R. S. Lukin
Siberian Federal University 79, Svobodnyi Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: Natalya.skropotova@mail.ru
The article describes the basic principles of the national system to ensure vibration strength of rocket and space technology. The article includes the principles of constructing the model to calculate the spacecraft vibration strength of the drive.
Keywords: spacecraft, vibration strength, finite element model, vibration tests.
Наиболее сложным этапом проектирования привода, входящего в состав космического аппарата (КА), являются наземные испытания. Обычно они производятся на вибростенде и направлены на воспроизведение инерционных (вибрационных) нагрузок, возникающих при пуске ракетоносителя. Проведение вибрационных испытаний требует уже готового изделия, что может негативно сказаться на процессе проектирования, так как проведение дополнительных итераций по совершенствованию конструкции привода затруднительно.
В работе [1] представлены основные этапы проведения вибрационных испытаний в отечественном машиностроении. Действующая в настоящее время в масштабах отечественной ракетно-космической отрасли система обеспечения вибропрочности конструкций ракетно-космической техники (РКТ) реализует комплексный подход, состоящий из двух частей: расчетно-теоретической и экспериментальной, и базируется на двух основных принципах. Первый - это нормирование уровня вибрационного нагружения на первичной конструкции, второй - проведение вибропрочностных испытаний на специальном экспериментальном изделии. На корпусе, как для расчетов, так и при экспериментальной отработке, задаются нормативные значения либо нагрузок, либо спектральной плотности в функции частоты. В отношении экспериментального изделия выдвигаются требования конструктивно-технологической идентичности летному изделию: оно изготавливается по той же конструктор-
ской, технологической и нормативной документации, что и летное изделие, и в тех же производственных условиях. Уровень нагружения, а следовательно, и напряженно-деформированного состояния (НДС) вторичной конструкции зависит от парциальной собственной частоты и коэффициента усиления виброускорений на этой частоте.
Собственная частота определяется массово-инерционными и жесткостными характеристиками, а коэффициент усиления - диссипативными свойствами конструкции, количественно выраженными через логарифмический декремент колебаний или через добротность колебательной системы.
Основные особенности построения конечно-элементной модели (КЭМ), изложенные в работе [2], представлены ниже.
1. Модель формируется из линейных (стержневых и балочных), двумерных (пластинчатых и оболочеч-ных) элементов.
2. Применение трехмерных (объемных) элементов, приводящих к существенному увеличению размерности матриц модели, должно быть обосновано.
3. Для моделирования стыков отсеков используются специальные интегральные элементы, адекватно отражающие нелинейные деформативные процессы.
4. Степень дискретности разбиения на конечные элементы по размерам и массам выбирается исходя из необходимости обеспечения адекватного отражения частотных характеристик до определенного значения (как правило, до 100 Гц).
<Тешетневс^ие чтения. 2016
а б
Результаты расчета КЭМ редукторов: а - червячный редуктор общемашиностроительного назначения; б - прецизионный привод космического аппарата
5. Размеры элементов в зонах высокоградиентного напряженного состояния должны позволять выявлять места, опасные с точки зрения разрушения или зарождения усталостных трещин.
6. Геометрические, массовые, упругие характеристики вводятся в модель номинальными значениями, демпфирующие свойства - минимальными, с учетом статистических данных для данного класса конструкций.
Основные сложности, которые приходится преодолевать разработчику КЭМ, связаны с нелинейными эффектами, специфическими особенностями нетрадиционных конструкторских решений, контактными задачами на стыке отсеков корпуса, необходимостью введения условных конечных элементов, отображающих интегральные характеристики совокупности соединенных между собой или взаимодействующих элементов конструкции.
Если говорить об анализе агрегатов КА, в частности редукторов, входящих в состав привода, то в данной области имеется достаточный опыт по расчету редукторов общепромышленного назначения. На данный момент этапы создания расчетной модели выглядят следующим образом: строится 3D-модель корпуса редуктора; подшипники моделируются в виде взаимоперпендикулярных пружин, соединяющие валы с посадочными поверхностями подшипников в корпусе; зацепление моделируется пружиной, сонаправленной с силой в зацеплении. Для того чтобы задать жесткость зацеплении, необходимо предварительно произвести расчет в двумерной постановке зацепления.
В работе [2] приводится расчет червячного редуктора привода установки для изготовления упругого цилиндрического профиля, где определялись прогиб выходного вала (см. рисунок, а), напряжения, возникающие в шейке вала. В работе [3] приводится аналогичный расчет редуктора прецизионного привода космического аппарата, где анализируется крутильная жесткость привода (см. рисунок, б). В данном случае основной проблемой является моделирование зацепления зубьев, так как в многопоточных передачах возможно образование зазора в зацеплении, моделирова-
ние которого производилось с помощью пружины, жесткость которой нелинейно зависит от деформации.
Описанная методика применима к расчету двигателя летательного аппарата (ЛА), однако необходимо учитывать затяжку болтов, а также моделировать стандартный контакт (есть ли возможность раскрываться) в зоне стыка привалочных поверхностей. Для описанной расчетной модели привода возможно провести расчет собственных частот с учетом входящих в него упругих звеньев.
В дальнейшем планируется экспериментальная верификация некоторых элементов методики: в частности, верификация поведения вала на податливых опорах и податливость зацепления. Основным критерием при проведении эксперимента с вращающимся валом будет являться совпадение собственных частот, а во втором случае - совпадение угловых деформаций в численной модели и экспериментальной модели. По разработанной модели привода ЛА можно провести структурный, частотный и спектральный анализ.
Библиографические ссылки
1. Безмозгий И. М., Софинский А. Н., Черня-гин А. Г. Моделирование в задачах вибропрочности конструкций ракетно-космической техники // Космическая техника и технологии. 2014. № 3 (6). С. 71-80.
2. Козлова Н. И. Моделирование червячного редуктора привода установки для производства упругого профиля // Проспект Свободный-2016 : материалы науч. конф. (15-25 апреля 2016, г. Красноярск) [Электронный ресурс] / отв. ред. А. Н. Тамаровская. Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. С. 83-85
3. Sayfetdinova Y. R., Lukin R. S. Improving the design of the precision drive // Проспект Свободный-2016 : материалы науч. конф. (15-25 апреля 2016, г. Красноярск) [Электронный ресурс] / отв. ред. А. Н. Тамаровская, Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. С. 22-26.
References
1. Bezmozgiy I. M., Sofinskiy A. N., Chernyagin A. G. [The simulation in problems of vibration strength of
"Контроль и испытания ракетно-космической техники
rocket and space hardware] // Space Engineering and Technology. 2014. № 3 (6). P. 71-80 (In Russ.)
2. Kozlova N. I. [Simulation of the worm gear drive for the production of elastic profile] // Youth and Science: Prospect Svobodnyi-2016. 15-25 of April 2016, Krasnoyarsk, 2016. P. 83-85. (In Russ.)
3. Sayfetdinova Y. R., Lukin R. S. [Improving the design of the precision drive] // Youth and Science: Prospect Svobodnyi-2016. 15-25 of April 2016. Krasnoyarsk, 2016. P. 22-26. (In Russ.)
© Козлова Н. И., Лукин Р. С., 2016
УДК 51-73, 53.096, 53.097
ДИАГНОСТИКА ЗАПАСА ЖИВУЧЕСТИ И КОНТРОЛЬ СПЛОШНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Я. С. Крюкова
Новокузнецкий институт (филиал) «Кемеровский государственный университет» Российская Федерация, 654041, Кемеровская обл., г. Новокузнецк, ул. Циолковского, 23
E-mail: krjanik@rambler.ru
Разработаны методики диагностики дефектов сплошности конструкций из углеродных композитов и оценки их живучести, основанные на измерении электрических и температурных полей в свободном состоянии и при силовом нагружении.
Ключевые слова: углеродный композиционный материал, неразрушающий контроль, дефекты сплошности, живучесть конструкции, электрический потенциал, температурное поле.
DURABILITY DIAGNOSIS RESERVE AND CONTINUITY CONTROL STRUCTURES MADE
OF CARBON COMPOSITE MATERIALS
Ya. S. Kryukova
Novokuznetsk Institute (Branch) «Kemerovo State University» 23, Tsiolkovsky Street, Novokuznetsk, Kemerovo region, 654041, Russian Federation
E-mail: krjanik@rambler.ru
The paper describes a method to diagnose defects of continuity of structures made of carbon composites and evaluate their durability, based on the measurement of electrical and temperature fields in the free state and power loading.
Keywords: carbon composite material, non-destructive testing, continuity defects, durability of structure, electric potential, temperature field.
Конструкции из углеродных композиционных материалов (оболочечные и сетчатые конструкции) получили широкое распространение в ракетно-космической отрасли благодаря высоким прочностным свойствам и малой массе. Однако остаются актуальными проблемы контроля качества и повышения ресурса таких конструкций, которые требуют применения неразрушающих методов контроля. Для прогнозирования остаточного ресурса и обеспечения безопасной эксплуатации конструкций необходимо осуществлять контроль параллельно по нескольким методам, основывающимся на разных физических явлениях.
Применение электродиагностики методом сопротивлений для контроля сплошности конструкций из электропроводных композитов. Диагностика несплошностей в изделиях из электропроводных композитов с использованием полей электрического тока представляется достаточно перспективной, поскольку
наличие дефекта приводит к существенному изменению электрического сопротивления материала [1-3]. Предлагаемая методика контроля сплошности основана на измерении кажущегося электрического сопротивления изделия (отношения разности потенциалов в двух точках на поверхности изделия к силе тока, пропускаемого через питающие электроды) с использованием высокочувствительных измерительных приборов [4].
Экспериментальное исследование оболочки из композиционного материала на углеродной основе с защитным высокотемпературным покрытием на основе карбида кремния толщиной 0,2 мм на установке (рис. 1, а) позволило построить дефектограмму изделия (рис. 1, б).
Измерения на объектах с известными размерами дефектов показали возможность обнаруживать дефекты размером от 10 мм, что в 1,5-2 раза превышает чувствительность ультразвукового метода [4].
