Разработка конструкции композитной платы монтажа двигательного блока системы коррекции космического аппарата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Секция «Проектирование и производство летательньк аппаратов»

УДК 629.7

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ КОМПОЗИТНОЙ ПЛАТЫ МОНТАЖА ДВИГАТЕЛЬНОГО БЛОКА СИСТЕМЫ КОРРЕКЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Е. Е. Максимов, Л. А. Бабкина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: eemaksimov@iss-reshetnev.ru

Объектом исследования является титановая плата крепления двигательного блока системы коррекции космического аппарата, материал которой по результатам проведенных исследований, заменяется композиционным. Геометрическая модель платы из композиционного материала создана по алгоритмам трехмерного твердотельного моделирования с использованием системы автоматизированного проектирования CATIA. Численное исследование напряженно-деформированного состояния платы крепления двигательного блока выполнено в интегрированном пакете SolidWorks Simulation методом конечных элементов (МКЭ). В ходе работы были проведены прочностной на квазистатические нагрузки и модальный расчет конструкции платы с учетом установленного на плату оборудования. В результате расчета были получены значения первых собственных частот и исследовано напряженно-деформированное состояние конструкции платы, которые полностью удовлетворяют условиям прочности элементов космического аппарата. Поверочный расчет выполнен в MSC NASTRAN.

Ключевые слова: геометрическая модель, конечно-элементная модель, композиционные материалы, напряженно-деформированное состояние, модальный анализ.

DEVELOPMENT OF COMPOSITE STRUCTURES BOARD ASSEMBLY ENGINE BLOCK CORRECTION SYSTEM SPACECRAFT

E. E. Maksimov, L. A. Babkina

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: eemaksimov@iss-reshetnev.ru

In the optimization problem is solved to facilitate spacecraft structural elements by replacing metal alloy high-strength composite materials. The object of the research is titanium board mounting the motor unit of the spacecraft system of correction, which is a material based on the results of the research, is replaced by a composite. Geometrical model of the board of composite materials created by the three-dimensional solid modeling algorithms using computer-aided design system CATIA. Numerical study of stress-strain state board mounting the motor unit is made in the integrated package SolidWorks Simulation finite element method (FEM). In the course of the strength and modal analysis motherboard designs have been carried out, based on the equipment installed on board on the quasi-static load. As a result, the calculation values of the first natural frequencies were obtained and studied the stress-strain state board design that fully satisfy the conditions of the strength of the elements of the spacecraft.

Keywords: finite element model, geometric model, stress-strain state, modal analysis.

Актуальной проблемой спутникостроения является снижение массы конструкции КА. В современных рыночных условиях необходимо обеспечить заказчика максимальной величиной масс для полезной нагрузки. Замена металлических сплавов на композиционные материалы позволяет снизить массу конструкции изделия на 15-20 % [1-3].

В работе была решена задача облегчения конструкции космического аппарата за счет замены металлической платы монтажа двигательного блока системы коррекции на плату, изготовленную из

композиционных материалов. Геометрическая модель платы создана по алгоритмам трехмерного твердотельного моделирования в системе автоматизированного проектирования САТ1А (рис. 1).

Рис. 1. Геометрическая модель платы

Численное исследование напряженно-деформированного состояния платы крепления двигательного блока выполнено в интегрированном пакете SolidWorks Simulation [4]. Поверочный расчет выполнен в MSC NASTRAN.

Расчет включает следующие этапы: определение свойств материала; создание конечно-элементной модели (рис. 2, 3); задание кинематических и статических граничных условий; выполнение расчета; визуализация и интерпретация результатов расчетов (рис. 4, 5).

Для создания конечно-элементной модели выбран конечный элемент типа Laminate, позволяющий учесть его многослойную структуру. Оболочка состоит из 10 слоев по 0,2 мм каждый с учетом ортотропии материала (рис. 3).

Рассмотрено четыре расчетных случая на квазистатические перегрузки (табл. 1). Центр масс двигательного блока находится на расстоянии 45 мм от плоскости платы.

Таблица 1

Квазистатические перегрузки

Перегрузка, g

Случай нагружения Параллельно Перпендикулярно

1 ±20 g ±15 g

2 -20 g -15 g

3 -20 g +15 g

4 +20 g -15 g

Рис. 2. Конечно-элементная модель

Для интерпретации результатов исследования (рис. 4) использовался Критерий Tsai-Wu, который применим для определения запаса прочности композитных ортотропных оболочек. Максималь-

Секция «Проектирование и производство летательных аппаратов»

ные напряжения плата испытывает в местах ее крепления к сотовой панели, но эти напряжения не превышают предела прочности используемого материала.

Модальный анализ показал, что требования по жесткости конструкции выполняются (рис. 5).

Рис. 3. Настройка свойств составной оболочки (схема армирования: 1/0° + 1/90° + 1/0° + 1/90° ... и т. д., где 1/0° - продольный слой; 1/90° - поперечный слой)

Ииммдом пнкщи^виВв^ш-ппш Ч* Т] £ Р' в А' Л

Тицчл- ектмАяимуимнхнртмХемщ) авщря пн п жная-тп> ^ ™»н■ «мпмг "ч и "1 > ^ V Л

а б

Рис. 4. Результаты статического расчета: а - эпюра напряжений в первом слое составной оболочки; б - эпюра результирующих перемещений

а б

Рис. 5. Результаты модального анализа: а - первая форма колебаний, значение 609,2 Гц; б - вторая форма колебаний, значение 968 Гц

Таким образом, по результатам исследования можно сделать вывод о том, что замена металлической платы на композиционную является целесообразной.

Дальнейшая работа направлена на проектирование технологической оснастки и изготовление платы монтажа двигательного блока системы коррекции КА из КМ.

Библиографические ссылки

1. Гардымов Г. П., Мешков Е. В. Композиционные материалы в ракетно-космическом апарато-строении. СПб. : Спецлит. 1999.

2. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М. : Машиностроение, 1988.

3. Каблов Е. Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 8. С. 7-17.

4. Алямовский А. А. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб. : БХВ-Петербург, 2005. 800 с.

© Максимов Е. Е., Бабкина Л. А., 2016