CC BY
35УДК 629.78.018.4.02:528.8
ОТРАБОТКА ВИБРОПРОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
© 2014 г. Безмозгий И.М., Казакова О.И., Софинский А.Н., Чернягин А.Г.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская область, Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
На примере разработанного РКК «Энергия» автоматического космического аппарата дистанционного зондирования Земли показан полный цикл решения инженерных задач обеспечения вибропрочности конструкции изделия. Освещены все стадии расчетных и экспериментальных работ, роль при их выполнении динамической конечно-элементной модели. Приведены фактически полученные результаты, описаны ошибки в расчетах и конструировании, явившиеся причиной разрушений при испытаниях, описаны ремонтные варианты доработок конструкции в зонах разрушений.
Ключевые слова: космический аппарат, конструкция, вибропрочность, конечно-элементная модель, расчеты, экспериментальная отработка.
PERFECTING VIBRATION STRENGTH PROPERTIES OF AN UNMANNED EARTH REMOTE SENSING SPACECRAFT Bezmozgiy I.M., Kazakova O.I., Sofinskiy A.N., Chernyagin A.G.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: post@rsce.ru
The automatic spacecraft of the Earth remote sensing was designed and experimentally fine-tuned in RSC Energia. The spacecraft was launched successfully on the 16th of April in 2014. In terms of strength the automatic satellite is a complex mechanical system. The abundance of instruments, units, antennas, power sources, optic-mechanical elements and the other onboard equipment makes this system sensitive to dynamic loads. This article shows the information about the full cycle of the solving of engineering problems which are connected with the ensuring of an item's strength. Finite element model of a construction plays the leading role in the process of solving of these issues. The process of making of this model, its structure and dimension as well as necessary resources of computing machinery are shown. The specific design features of the hardware and their representation in finite-element model are marked. All operations were conducted in the CAE system ANSYS. Operations with model during the processes of calculation and experimental testing are reflected. The results of the test are presented. The damage and its causes was described as well as repair changes were indicated. The comparative results of calculation and measurement in process of the test were presented. The ways of the correction and adjustment to models on result of the were given.
Key words: spacecraft, structure, vibration strength, finite element model, calculation, developmental testing.
БЕЗМОЗГИЙ И.М. КАЗАКОВА О.И. СОФИНСКИЙ А.Н. ЧЕРНЯГИН А.Г.
БЕЗМОЗГИЙ Иосиф Менделевич — кандидат технических наук, начальник лаборатории РКК «Энергия», e-mail: iosif.bezmozgy@rsce.ru
BEZMOZGIY Iosif Mendelevich — Candidate of Science (Engineering) Head of Laboratory at RSC Energia, e-mail: iosif.bezmozgy@rsce.ru
КАЗАКОВА Ольга Игоревна — аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана, инженер-конструктор II категории РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru
KAZAKOVA Olga Igorevna — Рostgraduate at ВMSTU, Design Engineer II category at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
СОФИНСКИЙ Алексей Николаевич — кандидат технических наук, заместитель начальника отделения РКК «Энергия», e-mail: alexey.sofinskiy@rsce.ru
SOFINSKIY Alexey Nikolaevich — Candidate of Science (Engineering), Deputy Head of Department at RSC Energia, e-mail: alexey.sofinskiy@rsce.ru
ЧЕРНЯГИН Александр Григорьевич — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: alexander.chernyagin@rsce.ru
CHERNYAGIN Alexander Grigoryevich — Candidate of Science (Engineering), Leading Researcher at RSC Energia, e-mail: alexander.chernyagin@rsce.ru
Введение
Отработка вибропрочности конструкций ракетно-космической техники (РКТ) — сложный комплексный многоуровневый многоэтапный системный процесс, состоящий из двух взаимосвязанных частей: расчетно-теоретической и экспериментальной. В статье [1] показано, что центральное место в этом процессе, как на стадии проведения проектных расчетов и разработки конструкции, так и при организации, проведении и анализе результатов испытаний, занимает конечно-элементная модель (КЭМ) конструкции изделия. Модель появляется на стадии эскизного проектирования изделия, развивается вместе с разработкой его конструкции, с ее помощью проводятся проектные и проверочные расчеты конструкции, формируется программа прочностных испытаний, определяются места установки задающих и измеряющих датчиков, обрабатываются результаты испытаний. В то же время, динамическая модель конструкции изделия выступает как объект экспериментальной отработки: по результатам измерений при испытаниях осуществляется уточнение ее параметров, проводится настройка по собственным частотам и коэффициентам усиления виброускорений. Откорректированная и экспериментально подтвержденная модель, полученная в результате уточнений, является эффективным инструментальным средством проведения расчетов с гарантией достоверных результатов для возникающих новых условий эксплуатации, включая нештатные ситуации, а также при изменении конструкции или состава навесного оборудования (НО), при модерни-
зации изделия, и наконец, при разработке подобных изделий того же класса. Достоверная, верифицированная модель позволяет, получив надежные результаты расчета, уменьшить объем или совсем исключить экспериментальную отработку и тем самым сократить сроки и стоимость соответствующих работ.
Цель настоящей статьи — показать фактический процесс, замкнутый инженерный цикл практически осуществленной отработки вибропрочности на примере созданного РКК «Энергия» автоматического космического аппарата (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [2], выведенного на орбиту ракетой-носителем «Союз-У» 16 апреля 2014 г. и успешно функционирующего с конца апреля 2014 г. При описании этого процесса освещаются все стадии работ:
• создание КЭМ с формированием ее структуры и назначением параметров;
• использование полученной модели в расчетах, конструировании и постановке экспериментальных работ;
• моделирование нагружений при испытаниях;
• обработка результатов испытаний;
• корректировка и настройка модели по результатам испытаний.
Показаны практическая реализация концептуальных принципов построения модели, сформулированных в статье [1], особенности и сложности адекватного отображения специфических качеств конструкции, примененные для этого конечные элементы. Приведены фактически полученные результаты расчетов и испытаний, их сравнение, анализ причин расхождений. Выработаны практические
рекомендации по способам сближения расчетных и экспериментальных данных, корректировке параметров модели, ее настройке. Описаны разрушения конструкции, имевшие место в процессе испытаний, изложены причины ошибок расчетов и конструирования, приведших к недостаточной прочности, показаны варианты доработок дефектных зон.
Конструкция автоматического космического аппарата
Автоматический КА состоит из корпуса и размещенных на нем элементов служебных и целевых систем. Служебные системы, обеспечивающие функционирование аппарата, — это двигательная установка (ДУ), система электроснабжения (СЭС), бортовой комплекс управления (БКУ), система служебного канала управления (ССКУ), система обеспечения теплового режима (СОТР). Бортовой целевой комплекс — система оптико-электронного наблюдения (СОЭН) [3] и система высокоскоростной радиолинии (СВРЛ). С точки зрения прочности аппарат представляет собой механическую систему, состоящую из корпуса (первичная конструкция) и закрепленного на нем НО, сформированного из элементов служебных и целевых систем (вторичная конструкция). Общий вид КА представлен на рис. 1, а. Состав КА как механической системы — объекта вибропрочности показан на рис. 1, б.
Корпус образован восемью панелями, состыкованными между собой болтами через промежуточные кронштейны. Шесть боковых панелей складываются в шестигранную призму, замкнутую по краям нижней торцевой и
верхней торцевой панелями. Из шести боковых три панели — приборные. Эти панели — основное место размещения аппаратуры систем. Для крепления приборов в каждую панель установлены закладные втулки, а для обеспечения теплового режима встроены тепловые трубы. Нижняя торцевая панель имеет силовые фитинги, в которые закрепляются замки для организации разделяемого стыка с ракетой-носителем. К этим же фитингам крепятся узлы разворота солнечных батарей (СБ). На нижней торцевой панели установлены никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ) и панель ДУ с баллоном высокого давления и двигателями. С помощью трех стержневых систем к нижней торцевой панели крепится оптико-электронный модуль (ОЭМ) — основная составная часть СОЭН. На верхней торцевой панели размещены узлы зачековки СБ, наружная бленда СОЭН, панель СВРЛ и штанга крепления электромагнитного исполнительного органа (ЭМИО).
Все панели корпуса, а также панель ДУ, выполнены в виде клееной трехслойной конструкции, состоящей из двух несущих слоев и заполнителя. В качестве несущих слоев применен высокопрочный алюминиевый сплав, в качестве заполнителя — соты из алюминиевой фольги. В панелях СБ несущие слои — пластины из углепластика [4], а заполнитель — так же, как и в корпусных панелях, алюминиевые соты. Все клеевые соединения выполнены на основе пленочного клея горячего отверждения. Зоны вклейки в трехслойные панели силовых элементов и тепловых труб укреплены клеем, вспенивающимся при температуре изготовления.
а)
б)
Рис. 1. Автоматический КА: а - общий вид; б - состав КА (1 — корпус; 2 — корпусные панели; 3 — приборные панели; 4 — нижняя торцевая панель; 5 — верхняя торцевая панель; 6 — солнечные батареи; 7 — панель двигательной установки; 8 — никель-водородные аккумуляторные батареи; 9 — оптико-электронный модуль; 10 — бленда системы оптико-электронного наблюдения; 11 — панель системы высокоскоростной радиолокации; 12 — штанга электромагнитного исполнительного органа)
Широкое применение трехслойных конструкций обусловлено их высокой эффективностью сопротивления изгибу и сжатию (устойчивость). Специфика трехслойных конструкций в значительной степени определяет особенности КЭМ корпуса КА. Моделирование многослойных конструкций возможно с различной степенью детализации и послойной дифференциации в зависимости от целевой направленности решаемой задачи. Практически, в данной конкретной задаче обеспечения вибропрочности для формирования моделей корпусных, приборных панелей, верхней торцевой панели, панели ДУ и панелей СБ применены двухмерные конечные элементы, приведенные к срединной плоскости, с условными осредненными жесткостными и массовыми характеристиками заполнителя. Для моделирования сотового заполнителя нижней торцевой панели, в связи с ее большой толщиной (60 мм), применены трехмерные (объемные) элементы, также с условными характеристиками заполнителя. При моделировании панелей СБ учтена анизотропия углепластиковых несущих слоев. Определенные трудности пришлось преодолеть в моделировании зон встраивания в трехслойные панели закладных силовых элементов, укрепленных вспенивающимся клеем, и тепловых труб. При создании КЭМ изделий, в которых основной интерес представляют вторичные конструкции, дискретное включение в них моделей НО обязательно. Степень их детализации различается в зависимости от конкретных особенностей сопрягаемых конструкций.
Конечно-элементная модель
Расчетные работы, связанные с созданием и использованием КЭМ [5, 6], проводятся в программном комплексе АЫЗУЗ [7, 8]. Исходными данными для построения КЭМ изделия является 3^0-модель конструкции.
В соответствии со сформулированными в статье [1] принципами построения динамической КЭМ для формирования модели КА в основном использованы стержневые и оболочечные конечные элементы (КЭ). Для реализации этого принципа в препроцессоре АЫ5У5 создана промежуточная расчетная геометрическая модель путем максимально возможного преобразования трехмерной модели в балочно-оболочечную. Геометрическая модель после преобразования состоит из 239 объемов и 6 810 поверхностей. Вынужденное применение объемных КЭ обусловлено необходимостью адекватно представить толстую трехслойную нижнюю торцевую панель и опорную панель агрегата ОЭМ. Для моделирования болтов, винтов, заклепок использованы пружинные элементы и специальные
методы связей узлов модели. Для максимального упрощения и ускорения процесса трансформирования модели, что особенно актуально на начальной стадии разработки конструкции, модель построена по блочному принципу, кроме того, блочное построение дает возможность работать с моделью одновременно нескольким специалистам. Выражением блочного принципа являются отдельно смоделированные каждая из панелей с установленным на ней НО, а также автономные модели ОЭМ, СВРЛ, ЭМИО и других узлов и элементов конструкции. Для сопряжения блоков предварительно определены общая система координат и координаты их узлов стыковки. КЭМ КА формируется сопряжением КЭМ блоков между собой. При изменении конструкции соответствующий блок в КЭМ КА заменяется на модифицированный.
Для моделирования трехслойных панелей использованы многослойные оболочечные КЭ SHELL 181. Особенность данного типа элементов состоит в том, что для каждого слоя задаются свои геометрические (толщина) и физические (материал) свойства. Кроме того, для элемента может быть задано смещение центра жесткости пакета относительно координатной поверхности. В модели также использованы более простые конечные элементы SHELL43, которыми представляются однослойные оболочечные элементы конструкции (например, корпусы приборов). Для моделирования объемных конструкций использованы КЭ SOL1D45, основная форма которых — восьмиугольная призма, а дополнительные формы — шестиугольная призма, пирамида и тетраэдр. Балочные и стержневые конструкции (фермы, рамы, окантовки панелей) отображаются элементами типа BEAM4 и BEAM188, отличающимися тем, что для BEAM4 информация задается в виде интегральных геометрических характеристик (площадь, моменты инерции), для BEAM188 — в виде формы поперечного сечения с возможностью смещения относительно координатной плоскости. Интегральные характеристики элементов вычисляются при работе программы. Отдельные модели блоков связываются между собой по узлам либо методом COUPLING, который обеспечивает совместное деформирование узлов по заданному направлению, либо пружинными элементами COMB1N14, которые позволяют задавать жест-костные и демпфирующие свойства связи узлов. Элементы конструкции, имеющие поверхностное контактное сопряжение, связываются в модели КЭ TARGE170 и CONTA174. Для НО, кроме указанных выше элементов, использованы одноточечные массовые КЭ MASS21, которые отражают массу и моменты инерции или всего прибора, или его внутренней конструкции, если
корпус прибора моделируется отдельно. Связь узла расположения массы с остальной конструкцией прибора осуществляется либо жесткими регионами, которые обеспечивают совместное деформирование узлов связи, либо элементами TARGE170 и CONTA175, позволяющими распределять массу между контактными элементами пропорционально их жесткости. При использовании метода COUPLING и жестких регионов формируются уравнения связи узлов модели между собой. Связь элементов НО с корпусом осуществлена элементами COMBIN14.
Полностью собранная КЭМ представлена на рис. 2, а. Отдельные блоки модели показаны на рис. 2, б.
б)
Рис. 2. Конечно-элементная модель: а — космического аппарата; б — его составных частей (1 — корпусные панели; 2 — приборные панели; 3 — нижняя торцевая панель; 4 — верхняя торцевая панель с блендой; 5 — солнечные батареи; 6 — оптико-электронный модуль; 7 — панель высокоскоростной радиолокации; 8 — штанга электромагнитного исполнительного органа)
Как показано в статье [1], параметры матрицы демпфирования зависят от многих факторов: свойств конструкционных материалов, характера соединения между собой деталей, вида колебательных процессов, характера и уровня напряженно-деформированного состояния (НДС), частоты, амплитуды и формы колебаний, температуры и др. Для исследования диссипативных свойств конструкций рассматриваемого вида были проведены предварительные испытания на вибростенде одной из приборных панелей с размещенным на ней НО в габаритно-массовом исполнении. В результате для начального варианта КЭМ изделия принято демпфирование с коэффициентом 0,01...0,05.
После построения конечно-элементной сетки полная КЭМ описываемого изделия содержит примерно 386 000 элементов и 327 000 расчетных узлов. В модели использовано 219 000 элементов SHELL181, 53 000 SHELL43, 101 000 SOLID45, 7 000 BEAM188. Для моделирования приборов использовано 96 массовых элементов. При формировании узлов связи отдельных элементов модели использовано 2 415 связей COUPLING, 17 874 уравнений связи и 633 элемента COMBIN14. Трудоемкость работ с моделью, охватывающая полный цикл создания изделия, составила приблизительно 8 000 человеко-часов: 900 — на этапе эскизного проектирования, 5 000 — на этапе разработки конструкции и выпуска рабочей документации, 1 300 — при подготовке и проведении экспериментальной отработки и 800 — при обработке результатов испытаний. Подготовительные работы по созданию КЭМ проводились на четырехядерных персональных ЭВМ с оперативной памятью 8 Гб. На этих же ЭВМ выполнены тестовые расчеты, подтверждающие математическую корректность отдельных блоков модели. Определение динамических характеристик полной модели К А на этих ЭВМ потребовало значительных временных затрат (6-8 ч, в зависимости от количества вычисляемых собственных частот). В связи с этим для расчетов по интегрированной модели привлечена двухпроцессорная двенад-цатиядерная персональная ЭВМ с оперативной памятью 96 Гб. В результате для модального анализа требуется около 20 мин, задача гармонического анализа с применением метода суперпозиций решается в течение 2-3 мин.
Работа с моделью
Описанная выше конструкция корпуса КА, а также компоновка и крепление бортовых систем на корпусе разработаны с учетом воздействия квазистатических
нагрузок, назначенных по представлениям об изделии, полученным в ходе эскизного проектирования. КЭМ создавалась и уточнялась параллельно с разработкой конструкции в едином итерационном процессе по упомянутому ранее блочному принципу. Интегрированная модель позволила проведением модального и гармонического анализа определить собственные частоты и формы, а также коэффициенты усиления виброускорений. Уточненные таким образом нагрузки использованы для расчета прочности элементов конструкции корпуса и крепления НО.
Проведенные расчеты выявили также зоны конструкции, представляющие наибольший интерес для экспериментальных исследований динамических процессов. Необходимо отметить, что отличие конструкции и состава экспериментального изделия (вибропрочностного макета) от штатного диктует необходимость разработки конечно-элементной динамической модели объекта испытаний. Кроме того, для воспроизведения условий испытаний необходимо включение в общую модель КЭМ оснастки, обеспечивающей закрепление изделия на вибростенде.
На основе модального и гармонического анализа для системы оснастка-макет определена общая частотная картина макета с соответствующими коэффициентами усиления, назначены места установки задающих и измерительно-регистрирующих датчиков. На режимах определения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) задающий датчик располагался на стыке макета с оснасткой. Количество и места расположения задающих датчиков из числа измерительно-регистрирующих, стоящих на корпусе, корректировались для каждого случая нагружения по результатам определения АЧХ. Измерительно-регистрирующие датчики в количестве 83 шт. располагались на панелях корпуса и наиболее массивном навесном оборудовании. С целью определения степени достоверности модели, выработки мероприятий по ее отладке и настройке, с последующей верификацией, проведены расчеты испытательных случаев применительно к местам установки датчиков.
Нельзя упускать из виду тот факт, что операции проводятся с моделью экспериментального изделия, и их результаты должны быть перенесены на модель изделия штатного, что не всегда просто из-за неоднозначности влияния параметров на характеристики. Это обстоятельство является одним из недостатков действующей системы обеспечения вибропрочности, о конкретных сложностях которой уместно упомянуть и которые сводятся
к необходимости выполнить следующие достаточно трудоемкие работы:
• изготовить дорогостоящее специальное экспериментальное изделие — макет для вибропрочностных испытаний;
• разработать КЭМ макета;
• установить соответствие между моделями штатного изделия и макета;
• установить соответствие экспериментальных результатов, полученных на макете, штатному изделию в условиях их неизбежных отличий;
• адекватно перенести уточнения параметров модели макета в модель штатного изделия.
Изложенные недостатки свидетельствуют о необходимости и неизбежности движения в сторону перехода в экспериментальной отработке и подтверждении вибропрочности на штатное летное изделие (protoflight), что, ликвидируя указанные недостатки, порождает свои сложности, заключающиеся в необходимости осуществить другие, также непростые мероприятия:
• разработать достоверную модель всего изделия, включая ракету-носитель и разгонный блок;
• определить нагрузки, соответствующие реальным или нормированным условиям эксплуатации;
• разработать и апробировать надежную методику допустимой вырезки опасных частотных диапазонов или ограничения амплитудных значений нагрузок (notching);
• организовать установку на летное изделие полноценной системы наземных измерений с последующим максимально возможным ее демонтажом;
• обеспечить требующийся для летного изделия уровень чистоты в испытательной лаборатории;
• предусмотреть увеличение длительности общего цикла работы с летным экземпляром аппарата.
Экспериментальная отработка
При нагружении конструкции в процессе вибропрочностных испытаний произошло разрушение внешней торцевой панели (ВТП) в зоне крепления штанги ЭМИО и в местах крепления тяг панели СВРЛ. В зоне крепления кронштейна ЭМИО имел место отрыв внутреннего листа обшивки от втулки, локальные разрушения сотового заполнителя на расстоянии 1...4 ячейки в радиальном направлении от втулки и отделение втулки с окружающим ее компаундом от сотового заполнителя. В точках крепления тяг панели
СВРЛ выявлено объемное разрушение сотового заполнителя без отделения компаунда от сот и без отделения листов обшивки от втулки. Зависимости величины виброускорения в единицах g от частоты, измеренные в процессе нагружения, предшествовавшего разрушению, приведены на рис. 3, а. Величины виброускорений, определенные при проведении расчетного анализа, показаны на рис. 3, б. Следует отметить, что зафиксированные при испытаниях уровни виброускорений, как и полученные расчетом с помощью КЭМ, были ниже значений, на которые конструкция проектировалась. Разрушения же обусловлены недостаточной локальной прочностью ВТП в зонах установки закладных элементов, что объясняется их неудачным расположением: для штанги ЭМИО — расположение закладных втулок вблизи неокантованного края ВТП, для тяг СВРЛ — в зоне стыка двух фрагментов сотового заполнителя. Таким образом, расчетное использование модели дало правильные результаты, как по коэффициентам усиления, так и по НДС. Причиной же не предсказанного расчетом разрушения явилось неправильное использование экспериментально определенных предельных возможностей закладных элементов, а именно, не было учтено снижение несущей способности, обусловленное реальными технологическими факторами.
20
10
___ 1 1
20
40
60 а)
80
100 ¥г, Гц
б)
Рис. 3. Амплитуда виброускорения на датчике № 46 (верхняя точка ЭМИО): а — при испытаниях АЧХ1 в направлении оси X; б — расчетная при нагружении в направлении оси X; — — №х;
— — Щ; — — №
Примечание. ЭМИО — электромагнитный исполнительный орган.
По результатам анализа разрушений, с целью повышения несущей способности панели в зонах закладных элементов, конструкция ВТП с двух сторон была усилена пластинами из алюминиевого сплава толщиной 3 мм, а штанга ЭМИО была укорочена на 135 мм. При этом минимальные парциальные частоты штанги ЭМИО повысились с 19 до 31 Гц. Как следствие, снизились локальные нагрузки на закладные элементы. Накладки в зонах крепления панели СВРЛ не привели к существенному сдвигу парциальных частот, но выполнили функцию увеличения несущей способности ВТП в соответствующих зонах. Эффективность и достаточность проведенных доработок подтверждена на втором этапе испытаний.
Экспериментальные значения коэффициентов усиления (КУ) виброускорений при испытаниях по определению АЧХ для указанных выше элементов, полученные после проведения доработок конструкции, представлены на рис. 4.
а)
б)
в)
Рис. 4. Коэффициент усиления виброускорений при испытаниях АЧХ1 в направлении оси X: а — на датчике № 46 (верхняя точка ЭМИО); б — на датчике № 35 (верхняя торцевая панель); в — на датчике № 67 (в зоне кронштейна ЭМИО);
Примечание. ЭМИО — электромагнитный исполнительный орган.
Анализ полученных после доработки экспериментальных данных показывает, что после проведения доработок конструкции ВТП значения частоты первых тонов собственных колебаний на консольных элементах НО сохранились на уровне 15-16 Гц, что является следствием того, что данный резонанс связан с общими, балочными деформациями корпуса. Величины коэффициентов усиления виброускорений на этой резонансной частоте несколько уменьшились. Кроме того, после доработки на штанге ЭМИО проявились собственные тона с более высокими частотами (в диапазонах 30...35 Гц и 55...60 Гц).
Разрушения имели место также в процессе автономных испытаний СОЭН. Элементы узла крепления вторичного зеркала успешно прошли испытания по подтверждению статической прочности [3], однако при проведении технологических проверок вибропрочности объектива СОЭН выявлено разрушение подшипника в узле крепления вторичного зеркала (рис. 5).
Рис. 5. Разрушение подшипника узла вторичного зеркала
Предварительное моделирование поведения конструкции объектива СОЭН при динамических нагружениях не проводилось. При анализе результатов испытаний выявлено наличие резонансов на элементах конструкции корпуса блока двухзеркального на частотах 34 и 44,3 Гц с десятикратным увеличением амплитуды виброускорения. Динамический анализ, выполненный на модели телескопа, вычлененной из общей динамической модели автоматического КА, также показал наличие сильных резонансов в районе 40 Гц (рис. 6, а).
Полученные экспериментальные значения перегрузок на узле вторичного зеркала позволили уточнить параметры демпфирования, и в дальнейшем анализ различных вариантов доработки конструкции шпангоута корпуса телескопа проводился на основе динамической модели телескопа. В качестве основного
варианта повышения стойкости блока двух-зеркального к воздействию вибрационных нагрузок рассматривалось повышение жесткости шпангоута корпуса телескопа. Эффективность сравниваемых вариантов доработки конструкции оценивалась по частотным характеристикам узла вторичного зеркала и величине коэффициента усиления виброускорения на нем по отношению к виброускорению на основании телескопа. По результатам проведенного анализа был определен вариант доработки, обеспечивающий существенное повышение частоты собственных колебаний узла вторичного зеркала до 100 Гц, вместо ранее полученных 34 и 44 Гц (рис. 6, б).
а)
б)
Рис. 6. Коэффициент усиления в зоне подшипника вторичного зеркала: а — исходное состояние; б — после доработки; — — Ых; — — Ыу; — — N
При этом, с учетом разброса значений эффективного модуля упругости углепластика и углеродной ткани, используемых при доработках, коэффициент усиления находился в диапазоне 70...120% исходных значений. Эффективность выбранного варианта доработок была также подтверждена при повторных испытаниях объектива СОЭН.
Настройка модели по результатам испытаний
Графики КУ, полученные расчетом с использованием динамической модели доработанной конструкции, представлены на рис. 7.
О 20 40 60 80 100 /т, Гц а)
б)
в)
Рис. 7. Расчетные КУ виброускорений при испытаниях в направлении оси X: а — на датчике № 46 (верхняя точка ЭМИО); б — на датчике № 35 (верхняя торцевая панель); в — на датчике № 67 (в зоне кронштейна ЭМИО); — — Ых; — — Ыу; — — Ыг
Как видно из представленных результатов, расчетная модель отражает характер распределения зон резонансов по частотной шкале. И экспериментальные, и расчетные данные показывают наличие трех основных зон резонансов на частотах 15.20, 30.35 и 50.60 Гц. Однако для первых собственных частот конструкции различия экспериментального (16 Гц) и расчетного (13 Гц) значений достигают 25%, что требует уточнения жесткостных характеристик модели. При этом, хотя расчетные и экспериментальные значения коэффициентов усиления
виброускорений в зоне первых резонансных частот практически совпадают, их отличия в 30- и 50-герцовых зонах достигают 50.100%. Кроме того, по результатам расчетов на датчиках ВТП (№ 35, 67) отмечались пики коэффициентов усиления на частотах 60.65 Гц, не проявляющиеся в эксперименте.
Для уточнения частотных характеристик динамической модели проведено изменение некоторых жесткостных параметров:
• уточнение в пределах допуска толщины обкладных листов;
• варьирование жесткости условных элементов, имитирующих болтовые соединения и зоны контакта макета с технологической оснасткой.
Настройка модели по величинам коэффициентов усиления проводилась изменением значений параметров демпфирования материалов различных элементов конструкции. Графики КУ, полученные расчетом по уточненной динамической модели, представлены на рис. 8.
К,
20
10
;
1 1
I 1 у,
_—- ж та
20
40
60
80
100 Гц
а)
К
У 12
1
1
| /3 \\
0 20 40 60 80 100 /т, Гц б)
К,
12
Ж
20
40
60
80
в)
100 ^г, Гц
Рис. 8. Расчетные КУ виброускорений при испытаниях АЧХ1 в направлении оси X (скорректированная модель): а — на датчике № 46 (верхняя точка ЭМИО); б — на датчике № 35 (верхняя торцевая панель); в — на датчике № 67 (в зоне кронштейна ЭМИО); — — Ых; — — Ыу; — — Ыг
В результате настройки динамической модели было достигнуто сближение расчетных и экспериментальных АЧХ в местах установки датчиков. Так, сравнение данных на рис. 4 и 8 показывает совпадение по собственным частотам с погрешностью до 3% в диапазоне до 50 Гц и с погрешностью до 5% в диапазоне до 100 Гц. Отличие расчетных и экспериментальных данных по коэффициентам усиления составляет для первых, представляющих наибольший интерес с точки зрения прочности, тонов не более 5%. На более высоких частотах (30...60 Гц) это отличие составляет до 20%. После уточнения модели исчезли и ранее проявлявшиеся в расчетах резонансы на частотах 60.65 Гц.
Выводы
Описанный процесс отработки вибропрочности конкретного КА ДЗЗ, в ходе которого был успешно решен полный цикл практических инженерных расчетно-теоретических и экспериментальных задач, позволяет сделать следующие, достаточно общие выводы:
1. Отработка вибропрочности является составной частью создания КА.
2. Центральное место в решении совокупности задач вибропрочности занимает конечно-элементная динамическая модель конструкции изделия.
3. Модель разрабатывается в итерационном процессе параллельно с созданием изделия, подготовкой и проведением экспериментальной отработки.
4. Критерий вибропрочности оказывает существенное влияние на конструкцию корпуса и решающим образом определяет облик вторичной конструкции изделия.
5. Модель подлежит корректировке по результатам замеров при испытаниях. Настройка модели проводится по собственным частотам и коэффициентам усиления.
6. Отстроенная по результатам испытания модель дает 5%-ную погрешность по собственным частотам низших тонов и 15%-ную погрешность по коэффициентам усиления на этих частотах.
7. Уточненная, верифицированная модель сопровождает изделие на всем его жизненном цикле, являясь надежным инструментом получе-
ния расчетных данных о поведении конструкции в экстремальных ситуациях при эксплуатации изделия, а также в случае проведения доработок конструкции и при модернизации изделия.
8. Экспериментально подтвержденные количественные характеристики параметров модели, отражающие специфические свойства материалов, конструкторских и технологических решений, имеют практическую ценность при разработке новых изделий подобного класса, повышая достоверность результатов, полученных расчетным путем, и сокращая объем экспериментальной отработки.
Список литературы
1. Безмозгий И.М., Софинский А.Н., Чернягин А.Г. Моделирование в задачах вибропрочности конструкций ракетно-космической техники // Космическая техника и технологии. 2014. № 3 (6). С. 71-80.
2. Афанасьев И., Красильников А., Ильин А. Рабочая площадка MAKS 2013 // Новости космонавтики. 2013. № 10. С. 2-8.
3. Аккуратов И.Л., Алямовский А.И., Давыдов Д.Я., Запруднов Д.М., Копыл Н.И., Сень-ковский А.Н., Чернявский А.Г. Опыт разработки и изготовления корпусных элементов оптико-электронного модуля космического аппарата из композиционных материалов // Космическая техника и технологии. 2014. № 1(4). С. 92-100.
4. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник / Под общ. ред. Васильева В. В., Тарнопольского Ю.М. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
5. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 539 с.
6. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. 428 с.
7. Каплун А.Б., Морозов Е.М, Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.
8. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справочное пособие. М.: Машиностроение, 2004. 512 с.
Статья поступила в редакцию 08.07.2014 г.
References
1. BezmozgiiI.M., SofinskiiA.N., ChernyaginA.G.Modelirovanievzadachakh vibroprochnostikonstruktsii raketno-kosmicheskoi tekhniki [Simulation in the vibration strength problems of rocket and space hardware structures]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2014, no. 3 (6), pp. 71-80.
2. Afanas'ev I., Krasilnikov A., Il'in A. Rabochayaploshchadka MAKS 2013 [MAKS 2013 worksite]. Novosti kosmonavtiki, 2013, no. 10, pp. 2-8.
3. Akkuratov I.L., Alyamovskii A.I., Davydov D.Ya., Zaprudnov D.M., Kopyl N.I., Sen'kovskii A.N., Chernyavskii A.G. Opyt razrabotki i izgotovleniya korpusnykh elementov optiko- elektronnogo modulya kosmicheskogo apparata iz kompozitsionnykh materialov [An attempt to develop and build composite structural elements for an electro-optical module of a spacecraft], Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2014, no. 1 (4), pp. 92-100.
4. Vasil'ev V.V., Protasov V. D., Bolotin V.V. et al. Kompozitsionnye materialy: Spravochnik [Composite materials: Handbook], Eds. Vasil'ev V. V., Tarnopol'skiy Yu.M. Moscow, Mashinostroeniepubl., 1990.512p.
5. Zenkevich O. Metod konechnykh elementov v tekhnike [Finite elements method in engineering], Moscow, Mir publ., 1975.539 p.
6. Gallager R. Metod konechnykh elementov. Osnovy [Finite elements method, Basics], Moscow, Mir publ., 1984. 428p.
7. Kaplun A.B., Morozov E.M., Olfer'eva M.A. ANSYS v rukakh inzhenera: Prakticheskoe rukovodstvo [ANSYS in the hands of an engineer: Practical guide]. Moscow, Editorial URSSpubl., 2003.272p.
8. Chigarev A.V., Kravchuk A.S., Smalyuk A.F. ANSYS dlya inzhenerov: Spravochnoe posobie [ANSYS for engineers: Reference book]. Moscow, Mashinostroenie publ., 2004. 512 p.
