Схема армирования силовой композиционной штанги, работающей при криогенных температурах, с учетом погрешности в технологии изготовления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

проектирование и производство летательных, аппаратов, космические исследования и проекты

3. Vasiliev V. V., Morozov E. Advanced Mechanics of Composite Materials and Structural Elements // Elsevier. 2013. P. 816.

4. Alyamovskiy A. A. Inzhenernye raschety v SolidWorks Simulation [Engineering calculations in SolidWorks Simulation]. M. : DMK press, 2013.445 p.

5. Alyamovskiy A. A. SolidWorks. Komp'yuternoe modelirovanie v inzhenernoy praktike. [SolidWorks. Computer simulation in engineering practice]. SPb. : BKhV-Peterburg, 2005. 800 p.

© Дубровина И. А., Попова А. П., Бабкина Л. А., 2016

УДК 629.76/.78

СХЕМА АРМИРОВАНИЯ СИЛОВОЙ КОМПОЗИЦИОННОЙ ШТАНГИ, РАБОТАЮЩЕЙ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ, С УЧЕТОМ ПОГРЕШНОСТИ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Д. В. Егоров, В. Д. Егорова

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

E-mail: [email protected]

Рассматриваются технологические особенности создания композиционных штанг, работающих в условиях криогенных температур. Схема армирования определяется с учётом погрешности укладки армирующего волокна и величины угла закручивания штанги под влиянием изменения температур, при этом к штанге предъявляются требования высокого модуля упругости. В результате данной работы была определена схема армирования штанги.

Ключевые слова: композиционные материалы, криогенные температуры, размеростабильность, температурные деформации, штанга, цилиндрическая конструкция.

SCHEME TO REINFORCE COMPOSITE POWER BAR OPERATING AT CRYOGENIC TEMPERATURES TAKING INTO ACCOUNT THE PRECISION IN MANUFACTURING TECHNOLOGY

D. V. Egorov, V. D. Egorova

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]

This paper deals with technological features to create composite bars operating under cryogenic temperatures. The scheme of reinforcement is determined by taking into account the errors of laying the reinforcing fiber and the angle of a bar twist under the influence of temperature changes. The bar is under high modulus of elasticity requirements. As a result this research defines reinforcement scheme of a bar.

Keywords: composite materials, cryogenic temperature dimensionally, thermal deformation, rod, cylindrical design.

Исходя из потребностей современной космической отрасли и жёстких требований к размеростабильности приёмных комплексов космических телескопов (КТ), возникает необходимость создания новых принципов разработки силовых конструкций КТ. Особенностью КТ «Миллиметрон» является низкая рабочая температура приемного комплекса - 4 К - и требования к высокой точности положения контррефлектора.

Важным элементом конструкции приемного комплекса КТ «Миллиметрон» является штанга опоры конструкции контррефлектора (ШОКК). ШОКК предназначена для размещения контррефлектора и фиксации трансформируемых элементов рефлектора при транспортировке и на участке выведения.

Выбор углепластика М46J/RTM6 в качестве материала ШОКК обусловлен высокими удельными физико-механическими характеристиками данного материала и низким значением КЛТР по сравнению с металлами. Однако изменение температуры приводит к кручению композиционных штанг. Требования по величине максимального угла закрутки для данной штанги составляют не более 1'.

В качестве метода изготовления ШОКК был выбран метод RTM. Для создания армирования - радиальное плетение, позволяющее укладывать волокно под максимально эффективным углом. При использовании радиального плетения погрешность укладки волокна составляет ±0,5о.

<Тешетневс^ие чтения. 2016

Таблица 1

Результаты расчета температурных деформаций штанги

а° ±10° ±20° ±30° ±35° ±40° ±45° ±50° ±60° ±70° ±80°

ф'' -53,9'' -42,7'' -34,0'' -31,7'' -30,9'' -31,6'' -33,5'' -40,7'' -53,0'' -64,1''

Таблица 2

Результаты расчета температурных деформаций

39,5° 39,5° 39,5° + 40° + 40° + 40° + 40,5° + 40,5° + 40,5°

а -39,5° -40° -40,5° -39,5° -40° -40,5° -39,5° -40° -40,5°

ф'' -31'' -19,9'' -9,1'' -42'' -30,9'' -20,1'' -52,9'' -41,8'' -30,9''

Для получения высокого модуля упругости конструкции была выбрана квазиооднонаправленная схема укладки волокна, при которой 90 % волокна уложено под углом 0° (продольные волокна), а 10 % волокна предназначены для оплетения продольных волокон и предотвращения распадения преформы (плетельные волокна). Угол плетельных волокон был определен в результате настоящей работы.

В целях определения угла плетения для минимизации угла кручения штанги, вызванного изменением температур, проводится анализ температурных деформаций штанги. Моделирование и численный анализ композитной цилиндрической штанги осуществлялся с использованием конечно-элементного программного пакета ANSYS. Геометрия и конечно-элементная модель композитной цилиндрической штанги создана с использованием языка параметрического моделирования APDL в программном пакете ANSYS [1].

Рассмотрим геометрические и упругие параметры конечно-элементной модели штанги. Длина штанги Ь = 1,82 м, радиус штанги R = 0,38 м.

В параметрической модели описаны модули упругости по направлениям ортотропии, коэффициенты Пуассона, модули сдвига между направлениями орто-тропии и плотность материала [2]. Также описана толщина монослоев для основных и плетельных сло-ёв. Отличительной особенностью расчета является использование коэффициентов линейного температурного расширения (КЛТР) материала различных для каждых температур. Значения КЛТР были определены экспериментально на образце материала.

В качестве конечного элемента использовалась многослойная оболочка с конечными деформациями SHELL181. Элемент имеет четыре узла и шесть степеней свободы в каждом узле: перемещения в направлении осей X, Y, и Z узловой системы координат. Элемент определяется четырьмя узлами I, /, К и Ь [3].

Команды поперечного сечения оболочки учитывают формирование многослойных композитных оболочек и обеспечивают указание исходных данных, в том числе толщины, материала, направления ориентации и числа точек интегрирования по толщине слоя. Толщины монослоев штанги задаются для основных и плетельных слоёв.

Анализ температурных деформаций композитной цилиндрической штанги проводится в программном пакете ANSYS. На свободном краю штанги с помощью опции Rigid Region создано жесткое сечение. Начальная температура для проведения расчета принята 20 °C. Температура охлаждения -269 °C равномерно распределена вдоль поверхности штанги.

Изменяемым параметром являлся угол плетельных волокон а.

Результаты расчетов для различных а приведены в табл. 1, 2, где искомой является величина ф - угол закручивания штанги при изменении температуры от + 20 до -269 °C.

В результате расчета был определен угол армирования плетельных волокон а = ±40°. С учетом возможных отклонений укладки плетельных волокон в ±0,5о определен максимальный угол закручивания штанги.

Таким образом, полученный максимальный угол закручивания штанги ф = -52,9'' удовлетворяет требованию |фтах| = 1'. Расчетные данные для а = ±60°, полученные в результате применения параметрической модели, были подтверждены экспериментальным способом в диапазоне температур от +20 до -100 °C в АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решет-нева».

Библиографические ссылки

1. ANSYS, «ANSYS Academic Research», 13.0 Ed, 2010.

2. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М. : Машиностроение, 1988. 272 с.

3. Победря Б. Е. Механика композиционных материалов. М. : Изд-во МГУ, 1984. 335 с.

References

1. ANSYS, «ANSYS Academic Research», 13.0 Ed, 2010.

2. Vasilyev V. V. Mechanics of composite structures. M. : Engineering, 1988. 272 p.

3. Pobedrya B. E. Mechanics of composite materials. M. : University Press, 1984. 335 p.

© Егоров Д. В., Егорова В. Д., 2016