ОТРАБОТКА ВИБРОПРОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ОТРАБОТКА ВИБРОПРОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
УДК 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 дистан-
ционного зондирования Земли показан полный цикл решения инженерных задач обеспечения вибро-
прочности 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 Сorporation 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.
№ 4 (7)/2014 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 31
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 катего-
рии 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 зации изделия, и наконец, при разработке по-
добных изделий того же класса. Достоверная,
Отработка вибропрочности конструкций верифицированная модель позволяет, получив
ракетно-космической техники (РКТ) — слож- надежные результаты расчета, уменьшить объем
ный комплексный многоуровневый много- или совсем исключить экспериментальную
этапный системный процесс, состоящий из отработку и тем самым сократить сроки и сто-
двух взаимосвязанных частей: расчетно- имость соответствующих работ.
теоретической и экспериментальной. В статье [1] Цель настоящей статьи — показать фак-
показано, что центральное место в этом про- тический процесс, замкнутый инженерный
цессе, как на стадии проведения проектных цикл практически осуществленной отработки
расчетов и разработки конструкции, так и при вибропрочности на примере созданного РКК
организации, проведении и анализе результа- «Энергия» автоматического космического ап-
тов испытаний, занимает конечно-элементная парата (КА) дистанционного зондирования
модель (КЭМ) конструкции изделия. Модель Земли (ДЗЗ) [2], выведенного на орбиту ра-
появляется на стадии эскизного проектирова- кетой-носителем «Союз-У» 16 апреля 2014 г.
ния изделия, развивается вместе с разработкой и успешно функционирующего с конца апреля
его конструкции, с ее помощью проводятся 2014 г. При описании этого процесса освеща-
проектные и проверочные расчеты конструк- ются все стадии работ:
ции, формируется программа прочностных • создание КЭМ с формированием ее
испытаний, определяются места установки структуры и назначением параметров;
задающих и измеряющих датчиков, обрабаты- • использование полученной модели в
ваются результаты испытаний. В то же время, расчетах, конструировании и постановке экс-
динамическая модель конструкции изделия периментальных работ;
выступает как объект экспериментальной от- • моделирование нагружений при испы-
работки: по результатам измерений при испы- таниях;
таниях осуществляется уточнение ее параме- • обработка результатов испытаний;
тров, проводится настройка по собственным • корректировка и настройка модели по
частотам и коэффициентам усиления вибро- результатам испытаний.
ускорений. Откорректированная и экспери- Показаны практическая реализация кон-
ментально подтвержденная модель, полу- цептуальных принципов построения модели,
ченная в результате уточнений, является эф- сформулированных в статье [1], особенности
фективным инструментальным средством и сложности адекватного отображения специ-
проведения расчетов с гарантией достоверных фических качеств конструкции, применен-
результатов для возникающих новых условий ные для этого конечные элементы. Приведены
эксплуатации, включая нештатные ситуации, фактически полученные результаты расчетов
а также при изменении конструкции или состава и испытаний, их сравнение, анализ причин
навесного оборудования (НО), при модерни- расхождений. Выработаны практические
32 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4 (7)/2014
ОТРАБОТКА ВИБРОПРОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
рекомендации по способам сближения расчет- верхней торцевой панелями. Из шести боковых
ных и экспериментальных данных, корректи- три панели — приборные. Эти панели — основ-
ровке параметров модели, ее настройке. Опи- ное место размещения аппаратуры систем.
саны разрушения конструкции, имевшие место Для крепления приборов в каждую панель
в процессе испытаний, изложены причины установлены закладные втулки, а для обеспе-
ошибок расчетов и конструирования, при- чения теплового режима встроены тепловые
ведших к недостаточной прочности, показаны трубы. Нижняя торцевая панель имеет сило-
варианты доработок дефектных зон. вые фитинги, в которые закрепляются замки
для организации разделяемого стыка с ракетой-
Конструкция автоматического носителем. К этим же фитингам крепятся узлы
космического аппарата разворота солнечных батарей (СБ). На ниж-
ней торцевой панели установлены никель-
Автоматический КА состоит из корпуса водородные аккумуляторные батареи (НВАБ)
и размещенных на нем элементов служебных и панель ДУ с баллоном высокого давления
и целевых систем. Служебные системы, обе- и двигателями. С помощью трех стержневых
спечивающие функционирование аппарата, — систем к нижней торцевой панели крепится
это двигательная установка (ДУ), система оптико-электронный модуль (ОЭМ) — основ-
электроснабжения (СЭС), бортовой комплекс ная составная часть СОЭН. На верхней тор-
управления (БКУ), система служебного кана- цевой панели размещены узлы зачековки СБ,
ла управления (ССКУ), система обеспечения наружная бленда СОЭН, панель СВРЛ и
теплового режима (СОТР). Бортовой целе- штанга крепления электромагнитного испол-
вой комплекс — система оптико-электронного нительного органа (ЭМИО).
наблюдения (СОЭН) [3] и система высоко- Все панели корпуса, а также панель ДУ,
скоростной радиолинии (СВРЛ). С точки зре- выполнены в виде клееной трехслойной кон-
ния прочности аппарат представляет собой струкции, состоящей из двух несущих слоев и
механическую систему, состоящую из корпуса заполнителя. В качестве несущих слоев при-
(первичная конструкция) и закрепленного на менен высокопрочный алюминиевый сплав, в
нем НО, сформированного из элементов слу- качестве заполнителя — соты из алюминиевой
жебных и целевых систем (вторичная конструк- фольги. В панелях СБ несущие слои — пластины
ция). Общий вид КА представлен на рис. 1, а. из углепластика [4], а заполнитель — так же,
Состав КА как механической системы — объекта как и в корпусных панелях, алюминиевые
вибропрочности показан на рис. 1, б. соты. Все клеевые соединения выполнены на
Корпус образован восемью панелями, со- основе пленочного клея горячего отвержде-
стыкованными между собой болтами через ния. Зоны вклейки в трехслойные панели
промежуточные кронштейны. Шесть боковых силовых элементов и тепловых труб укрепле-
панелей складываются в шестигранную при- ны клеем, вспенивающимся при температуре
зму, замкнутую по краям нижней торцевой и 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)
№ 4 (7)/2014 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 33
Безмозгий И.М., Казакова О.И., Софинский А.Н., Чернягин А.Г.
Широкое применение трехслойных конст- методы связей узлов модели. Для максималь-
рукций обусловлено их высокой эффективно- ного упрощения и ускорения процесса транс-
стью сопротивления изгибу и сжатию (устойчи- формирования модели, что особенно актуально
вость). Специфика трехслойных конструкций в на начальной стадии разработки конструкции,
значительной степени определяет особенности модель построена по блочному принципу, кро-
КЭМ корпуса КА. Моделирование многослой- ме того, блочное построение дает возможность
ных конструкций возможно с различной степе- работать с моделью одновременно нескольким
нью детализации и послойной дифференциации специалистам. Выражением блочного принци-
в зависимости от целевой направленности реша- па являются отдельно смоделированные каж-
емой задачи. Практически, в данной конкретной дая из панелей с установленным на ней НО, а
задаче обеспечения вибропрочности для фор- также автономные модели ОЭМ, СВРЛ, ЭМИО
мирования моделей корпусных, приборных па- и других узлов и элементов конструкции. Для
нелей, верхней торцевой панели, панели ДУ и сопряжения блоков предварительно опреде-
панелей СБ применены двухмерные конечные лены общая система координат и координаты
элементы, приведенные к срединной плоскости, их узлов стыковки. КЭМ КА формируется со-
с условными осредненными жесткостными и пряжением КЭМ блоков между собой. При из-
массовыми характеристиками заполнителя. Для менении конструкции соответствующий блок в
моделирования сотового заполнителя нижней КЭМ КА заменяется на модифицированный.
торцевой панели, в связи с ее большой толщиной Для моделирования трехслойных панелей
(60 мм), применены трехмерные (объемные) использованы многослойные оболочечные КЭ
элементы, также с условными характеристиками SHELL181. Особенность данного типа элементов
заполнителя. При моделировании панелей СБ состоит в том, что для каждого слоя задаются
учтена анизотропия углепластиковых несущих свои геометрические (толщина) и физические
слоев. Определенные трудности пришлось прео- (материал) свойства. Кроме того, для элемента
долеть в моделировании зон встраивания в трех- может быть задано смещение центра жесткости
слойные панели закладных силовых элементов, пакета относительно координатной поверхно-
укрепленных вспенивающимся клеем, и тепло- сти. В модели также использованы более про-
вых труб. При создании КЭМ изделий, в кото- стые конечные элементы SHELL43, которыми
рых основной интерес представляют вторичные представляются однослойные оболочечные
конструкции, дискретное включение в них мо- элементы конструкции (например, корпусы
делей НО обязательно. Степень их детализации приборов). Для моделирования объемных кон-
различается в зависимости от конкретных осо- струкций использованы КЭ SOLID45, основная
бенностей сопрягаемых конструкций. форма которых — восьмиугольная призма, а до-
полнительные формы — шестиугольная призма,
Конечно-элементная модель пирамида и тетраэдр. Балочные и стержневые
конструкции (фермы, рамы, окантовки пане-
Расчетные работы, связанные с созданием и лей) отображаются элементами типа BEAM4 и
использованием КЭМ [5, 6], проводятся в про- BEAM188, отличающимися тем, что для BEAM4
граммном комплексе ANSYS [7, 8]. Исходными информация задается в виде интегральных гео-
данными для построения КЭМ изделия являет- метрических характеристик (площадь, моменты
ся 3D-модель конструкции. инерции), для BEAM188 — в виде формы по-
В соответствии со сформулированными в ста- перечного сечения с возможностью смещения
тье [1] принципами построения динамической относительно координатной плоскости. Инте-
КЭМ для формирования модели КА в основном гральные характеристики элементов вычисля-
использованы стержневые и оболочечные ко- ются при работе программы. Отдельные модели
нечные элементы (КЭ). Для реализации этого блоков связываются между собой по узлам либо
принципа в препроцессоре ANSYS создана про- методом COUPLING, который обеспечивает со-
межуточная расчетная геометрическая модель вместное деформирование узлов по заданному
путем максимально возможного преобразова- направлению, либо пружинными элементами
ния трехмерной модели в балочно-оболочечную. COMBIN14, которые позволяют задавать жест-
Геометрическая модель после преобразования костные и демпфирующие свойства связи узлов.
состоит из 239 объемов и 6 810 поверхностей. Элементы конструкции, имеющие поверхност-
Вынужденное применение объемных КЭ обу- ное контактное сопряжение, связываются в мо-
словлено необходимостью адекватно предста- дели КЭ TARGE170 и CONTA174. Для НО, кро-
вить толстую трехслойную нижнюю торцевую ме указанных выше элементов, использованы
панель и опорную панель агрегата ОЭМ. Для мо- одноточечные массовые КЭ MASS21, которые
делирования болтов, винтов, заклепок исполь- отражают массу и моменты инерции или всего
зованы пружинные элементы и специальные прибора, или его внутренней конструкции, если
34 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4 (7)/2014
ОТРАБОТКА ВИБРОПРОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
корпус прибора моделируется отдельно. Связь Как показано в статье [1], параметры ма-
узла расположения массы с остальной конструк- трицы демпфирования зависят от многих фак-
цией прибора осуществляется либо жесткими торов: свойств конструкционных материалов,
регионами, которые обеспечивают совместное характера соединения между собой деталей,
деформирование узлов связи, либо элементами вида колебательных процессов, характера и
TARGE170 и CONTA175, позволяющими распре- уровня напряженно-деформированного состо-
делять массу между контактными элементами яния (НДС), частоты, амплитуды и формы ко-
пропорционально их жесткости. При использо- лебаний, температуры и др. Для исследования
вании метода COUPLING и жестких регионов диссипативных свойств конструкций рассматри-
формируются уравнения связи узлов модели ваемого вида были проведены предварительные
между собой. Связь элементов НО с корпусом испытания на вибростенде одной из приборных
осуществлена элементами COMBIN14. панелей с размещенным на ней НО в габаритно-
Полностью собранная КЭМ представлена массовом исполнении. В результате для началь-
на рис. 2, а. Отдельные блоки модели показаны ного варианта КЭМ изделия принято демпфиро-
на рис. 2, б. вание с коэффициентом 0,01...0,05.
После построения конечно-элементной
сетки полная КЭМ описываемого изделия со-
держит 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 моде-
лирования приборов использовано 96 массо-
вых элементов. При формировании узлов связи
отдельных элементов модели использовано
2 415 связей COUPLING, 17 874 уравнений
связи и 633 элемента COMBIN14. Трудоем-
кость работ с моделью, охватывающая пол-
ный цикл создания изделия, составила при-
близительно 8 000 человеко-часов: 900 — на
этапе эскизного проектирования, 5 000 — на
этапе разработки конструкции и выпуска ра-
бочей документации, 1 300 — при подготовке
и проведении экспериментальной отработки
и 800 — при обработке результатов испытаний.
Подготовительные работы по созданию КЭМ
проводились на четырехядерных персональ-
ных ЭВМ с оперативной памятью 8 Гб. На
этих же ЭВМ выполнены тестовые расчеты,
а) подтверждающие математическую коррект-
ность отдельных блоков модели. Определение
динамических характеристик полной модели
КА на этих ЭВМ потребовало значительных
временных затрат (6–8 ч, в зависимости от ко-
личества вычисляемых собственных частот). В
связи с этим для расчетов по интегрированной
модели привлечена двухпроцессорная двенад-
цатиядерная персональная ЭВМ с оператив-
ной памятью 96 Гб. В результате для модаль-
ного анализа требуется около 20 мин, задача
гармонического анализа с применением метода
суперпозиций решается в течение 2-3 мин.
б) Работа с моделью
Рис. 2. Конечно-элементная модель: а — космического аппарата;
б — его составных частей (1 — корпусные панели; 2 — прибор- Описанная выше конструкция корпу-
ные панели; 3 — нижняя торцевая панель; 4 — верхняя торцевая
панель с блендой; 5 — солнечные батареи; 6 — оптико-электронный
са КА, а также компоновка и крепление
модуль; 7 — панель высокоскоростной радиолокации; 8 — штанга бортовых систем на корпусе разработаны
электромагнитного исполнительного органа) с учетом воздействия квазистатических
№ 4 (7)/2014 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 35
Безмозгий И.М., Казакова О.И., Софинский А.Н., Чернягин А.Г. нагрузок, назначенных по представлениям об к необходимости выполнить следующие до- изделии, полученным в ходе эскизного проек- статочно трудоемкие работы: тирования. КЭМ создавалась и уточнялась • изготовить дорогостоящее специальное параллельно с разработкой конструкции в экспериментальное изделие — макет для вибро- едином итерационном процессе по упомя- прочностных испытаний; нутому ранее блочному принципу. Интегри- • разработать КЭМ макета; рованная модель позволила проведением мо- • установить соответствие между моде- дального и гармонического анализа опреде- лями штатного изделия и макета; лить собственные частоты и формы, а также • установить соответствие эксперимен- коэффициенты усиления виброускорений. тальных результатов, полученных на макете, Уточненные таким образом нагрузки исполь- штатному изделию в условиях их неизбежных зованы для расчета прочности элементов кон- отличий; струкции корпуса и крепления НО. • адекватно перенести уточнения параме- Проведенные расчеты выявили также зоны тров модели макета в модель штатного изделия. конструкции, представляющие наибольший Изложенные недостатки свидетельствуют интерес для экспериментальных исследова- о необходимости и неизбежности движения ний динамических процессов. Необходимо в сторону перехода в экспериментальной от- отметить, что отличие конструкции и соста- работке и подтверждении вибропрочности на ва экспериментального изделия (вибропроч- штатное летное изделие (protoflight), что, лик- ностного макета) от штатного диктует необ- видируя указанные недостатки, порождает ходимость разработки конечно-элементной свои сложности, заключающиеся в необходи- динамической модели объекта испытаний. мости осуществить другие, также непростые Кроме того, для воспроизведения условий мероприятия: испытаний необходимо включение в общую • разработать достоверную модель всего модель КЭМ оснастки, обеспечивающей за- изделия, включая ракету-носитель и разгонный крепление изделия на вибростенде. блок; На основе модального и гармонического • определить нагрузки, соответствующие анализа для системы оснастка–макет опреде- реальным или нормированным условиям экс- лена общая частотная картина макета с соот- плуатации; ветствующими коэффициентами усиления, • разработать и апробировать надежную назначены места установки задающих и из- методику допустимой вырезки опасных частот- мерительно-регистрирующих датчиков. На ных диапазонов или ограничения амплитудных режимах определения амплитудно-частотных значений нагрузок (notching); характеристик (АЧХ) задающий датчик рас- • организовать установку на летное изде- полагался на стыке макета с оснасткой. Ко- лие полноценной системы наземных измерений личество и места расположения задающих с последующим максимально возможным ее датчиков из числа измерительно-регистри- демонтажом; рующих, стоящих на корпусе, корректиро- • обеспечить требующийся для летного вались для каждого случая нагружения по изделия уровень чистоты в испытательной результатам определения АЧХ. Измерительно- лаборатории; регистрирующие датчики в количестве 83 шт. • предусмотреть увеличение длительно- располагались на панелях корпуса и наи- сти общего цикла работы с летным экземпля- более массивном навесном оборудовании. ром аппарата. С целью определения степени достоверности модели, выработки мероприятий по ее отлад- Экспериментальная отработка ке и настройке, с последующей верификацией, проведены расчеты испытательных случаев При нагружении конструкции в процес- применительно к местам установки датчиков. се вибропрочностных испытаний произошло Нельзя упускать из виду тот факт, что опе- разрушение внешней торцевой панели (ВТП) рации проводятся с моделью эксперименталь- в зоне крепления штанги ЭМИО и в местах ного изделия, и их результаты должны быть крепления тяг панели СВРЛ. В зоне крепле- перенесены на модель изделия штатного, что ния кронштейна ЭМИО имел место отрыв не всегда просто из-за неоднозначности вли- внутреннего листа обшивки от втулки, ло- яния параметров на характеристики. Это об- кальные разрушения сотового заполнителя стоятельство является одним из недостатков на расстоянии 1…4 ячейки в радиальном на- действующей системы обеспечения вибро- правлении от втулки и отделение втулки с прочности, о конкретных сложностях кото- окружающим ее компаундом от сотового за- рой уместно упомянуть и которые сводятся полнителя. В точках крепления тяг панели 36 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4 (7)/2014
ОТРАБОТКА ВИБРОПРОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
СВРЛ выявлено объемное разрушение сото- По результатам анализа разрушений, с це-
вого заполнителя без отделения компаунда от лью повышения несущей способности панели
сот и без отделения листов обшивки от втул- в зонах закладных элементов, конструкция
ки. Зависимости величины виброускорения в ВТП с двух сторон была усилена пластина-
единицах g от частоты, измеренные в процессе ми из алюминиевого сплава толщиной 3 мм,
нагружения, предшествовавшего разрушению, а штанга ЭМИО была укорочена на 135 мм.
приведены на рис. 3, a. Величины виброуско- При этом минимальные парциальные частоты
рений, определенные при проведении расчет- штанги ЭМИО повысились с 19 до 31 Гц. Как
ного анализа, показаны на рис. 3, б. Следует следствие, снизились локальные нагрузки на
отметить, что зафиксированные при испыта- закладные элементы. Накладки в зонах кре-
ниях уровни виброускорений, как и получен- пления панели СВРЛ не привели к существен-
ные расчетом с помощью КЭМ, были ниже ному сдвигу парциальных частот, но выполни-
значений, на которые конструкция проекти- ли функцию увеличения несущей способности
ровалась. Разрушения же обусловлены недо- ВТП в соответствующих зонах. Эффектив-
статочной локальной прочностью ВТП в зонах ность и достаточность проведенных доработок
установки закладных элементов, что объясня- подтверждена на втором этапе испытаний.
ется их неудачным расположением: для штан- Экспериментальные значения коэффициен-
ги ЭМИО — расположение закладных втулок тов усиления (КУ) виброускорений при испыта-
вблизи неокантованного края ВТП, для тяг ниях по определению АЧХ для указанных выше
СВРЛ — в зоне стыка двух фрагментов сото- элементов, полученные после проведения дора-
вого заполнителя. Таким образом, расчетное боток конструкции, представлены на рис. 4.
использование модели дало правильные ре-
зультаты, как по коэффициентам усиления,
так и по НДС. Причиной же не предсказанного
расчетом разрушения явилось неправильное
использование экспериментально определен-
ных предельных возможностей закладных
элементов, а именно, не было учтено снижение
несущей способности, обусловленное реаль-
ными технологическими факторами.
а)
а)
б)
в)
б)
Рис. 4. Коэффициент усиления виброускорений при ис-
Рис. 3. Амплитуда виброускорения на датчике № 46 (верх- пытаниях АЧХ1 в направлении оси X: а — на датчике № 46
няя точка ЭМИО): а — при испытаниях АЧХ1 в направлении оси (верхняя точка ЭМИО); б — на датчике № 35 (верхняя торце-
X; б — расчетная при нагружении в направлении оси X; — — Nx; вая панель); в — на датчике № 67 (в зоне кронштейна ЭМИО);
— — Ny; — — Nz — — Nx; — — Ny; — — Nz
Примечание. ЭМИО — электромагнитный исполнительный орган. Примечание. ЭМИО — электромагнитный исполнительный орган.
№ 4 (7)/2014 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 37
Безмозгий И.М., Казакова О.И., Софинский А.Н., Чернягин А.Г.
Анализ полученных после доработки экс- варианта повышения стойкости блока двух-
периментальных данных показывает, что по- зеркального к воздействию вибрационных на-
сле проведения доработок конструкции ВТП грузок рассматривалось повышение жесткости
значения частоты первых тонов собственных шпангоута корпуса телескопа. Эффективность
колебаний на консольных элементах НО со- сравниваемых вариантов доработки конструк-
хранились на уровне 15-16 Гц, что является ции оценивалась по частотным характеристи-
следствием того, что данный резонанс связан кам узла вторичного зеркала и величине коэф-
с общими, балочными деформациями корпу- фициента усиления виброускорения на нем по
са. Величины коэффициентов усиления ви- отношению к виброускорению на основании
броускорений на этой резонансной частоте телескопа. По результатам проведенного ана-
несколько уменьшились. Кроме того, после лиза был определен вариант доработки, обе-
доработки на штанге ЭМИО проявились соб- спечивающий существенное повышение час-
ственные тона с более высокими частотами тоты собственных колебаний узла вторичного
(в диапазонах 30…35 Гц и 55…60 Гц). зеркала до 100 Гц, вместо ранее полученных
Разрушения имели место также в процес- 34 и 44 Гц (рис. 6, б).
се автономных испытаний СОЭН. Элементы
узла крепления вторичного зеркала успешно
прошли испытания по подтверждению стати-
ческой прочности [3], однако при проведении
технологических проверок вибропрочности
объектива СОЭН выявлено разрушение под-
шипника в узле крепления вторичного зерка-
ла (рис. 5).
а)
Рис. 5. Разрушение подшипника узла вторичного зеркала
Предварительное моделирование поведе-
ния конструкции объектива СОЭН при дина-
мических нагружениях не проводилось. При
анализе результатов испытаний выявлено на-
личие резонансов на элементах конструкции
корпуса блока двухзеркального на частотах
34 и 44,3 Гц с десятикратным увеличением б)
амплитуды виброускорения. Динамический
Рис. 6. Коэффициент усиления в зоне подшипника вторичного
анализ, выполненный на модели телескопа, зеркала: а — исходное состояние; б — после доработки; — — Nx;
вычлененной из общей динамической модели — — Ny; — — Nz
автоматического КА, также показал наличие
сильных резонансов в районе 40 Гц (рис. 6, а). При этом, с учетом разброса значений эф-
Полученные экспериментальные значения фективного модуля упругости углепластика
перегрузок на узле вторичного зеркала позво- и углеродной ткани, используемых при до-
лили уточнить параметры демпфирования, и работках, коэффициент усиления находил-
в дальнейшем анализ различных вариантов ся в диапазоне 70...120% исходных значений.
доработки конструкции шпангоута корпуса Эффективность выбранного варианта дорабо-
телескопа проводился на основе динамиче- ток была также подтверждена при повторных
ской модели телескопа. В качестве основного испытаниях объектива СОЭН.
38 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4 (7)/2014
ОТРАБОТКА ВИБРОПРОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Настройка модели по результатам испытаний виброускорений в зоне первых резонансных ча-
стот практически совпадают, их отличия в 30- и
Графики КУ, полученные расчетом с ис- 50-герцовых зонах достигают 50…100%. Кроме
пользованием динамической модели дорабо- того, по результатам расчетов на датчиках ВТП
танной конструкции, представлены на рис. 7. (№ 35, 67) отмечались пики коэффициентов
усиления на частотах 60…65 Гц, не проявляю-
щиеся в эксперименте.
Для уточнения частотных характеристик
динамической модели проведено изменение
некоторых жесткостных параметров:
• уточнение в пределах допуска толщины
обкладных листов;
• варьирование жесткости условных элемен-
тов, имитирующих болтовые соединения и зоны
контакта макета с технологической оснасткой.
Настройка модели по величинам коэффи-
циентов усиления проводилась изменением
а)
значений параметров демпфирования матери-
алов различных элементов конструкции. Гра-
фики КУ, полученные расчетом по уточненной
динамической модели, представлены на рис. 8.
б)
а)
в)
Рис. 7. Расчетные КУ виброускорений при испытаниях в на-
б)
правлении оси X: а — на датчике № 46 (верхняя точка ЭМИО);
б — на датчике № 35 (верхняя торцевая панель); в — на датчике
№ 67 (в зоне кронштейна ЭМИО); — — Nx; — — Ny; — — Nz
Как видно из представленных результатов,
расчетная модель отражает характер распреде-
ления зон резонансов по частотной шкале. И
экспериментальные, и расчетные данные пока-
зывают 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 рас- в)
четного (13 Гц) значений достигают 25%, что Рис. 8. Расчетные КУ виброускорений при испытаниях АЧХ1
в направлении оси X (скорректированная модель): а — на дат-
требует уточнения жесткостных характеристик чике № 46 (верхняя точка ЭМИО); б — на датчике № 35 (верх-
модели. При этом, хотя расчетные и экспери- няя торцевая панель); в — на датчике № 67 (в зоне кронштейна
ментальные значения коэффициентов усиления ЭМИО); — — Nx; — — Ny; — — Nz
№ 4 (7)/2014 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 39
Безмозгий И.М., Казакова О.И., Софинский А.Н., Чернягин А.Г.
В результате настройки динамической мо- ния расчетных данных о поведении конструкции
дели было достигнуто сближение расчетных и в экстремальных ситуациях при эксплуатации
экспериментальных АЧХ в местах установки изделия, а также в случае проведения доработок
датчиков. Так, сравнение данных на рис. 4 и 8 конструкции и при модернизации изделия.
показывает совпадение по собственным часто- 8. Экспериментально подтвержденные
там с погрешностью до 3% в диапазоне до 50 Гц количественные характеристики параметров
и с погрешностью до 5% в диапазоне до 100 Гц. модели, отражающие специфические свой-
Отличие расчетных и экспериментальных дан- ства материалов, конструкторских и техно-
ных по коэффициентам усиления составляет логических решений, имеют практическую
для первых, представляющих наибольший ин- ценность при разработке новых изделий по-
терес с точки зрения прочности, тонов не более добного класса, повышая достоверность ре-
5%. На более высоких частотах (30…60 Гц) это зультатов, полученных расчетным путем, и
отличие составляет до 20%. После уточнения сокращая объем экспериментальной отра-
модели исчезли и ранее проявлявшиеся в рас- ботки.
четах резонансы на частотах 60…65 Гц.
Список литературы
Выводы
1. Безмозгий И.М., Софинский А.Н., Черня-
Описанный процесс отработки вибропроч- гин А.Г. Моделирование в задачах вибропроч-
ности конкретного КА ДЗЗ, в ходе которого ности конструкций ракетно-космической тех-
был успешно решен полный цикл практических ники // Космическая техника и технологии.
инженерных расчетно-теоретических и экспе- 2014. № 3 (6). С. 71–80.
риментальных задач, позволяет сделать следу- 2. Афанасьев И., Красильников А., Ильин А.
ющие, достаточно общие выводы: Рабочая площадка MAKS 2013 // Новости кос-
1. Отработка вибропрочности является со- монавтики. 2013. № 10. С. 2–8.
ставной частью создания КА. 3. Аккуратов И.Л., Алямовский А.И., Да-
2. Центральное место в решении совокуп- выдов Д.Я., Запруднов Д.М., Копыл Н.И., Сень-
ности задач вибропрочности занимает конечно- ковский А.Н., Чернявский А.Г. Опыт разра-
элементная динамическая модель конструкции ботки и изготовления корпусных элементов
изделия. оптико-электронного модуля космического
3. Модель разрабатывается в итерацион- аппарата из композиционных материалов
ном процессе параллельно с созданием изделия, // Космическая техника и технологии. 2014.
подготовкой и проведением экспериментальной № 1(4). С. 92–100.
отработки. 4. Васильев В.В., Протасов В.Д., Боло-
4. Критерий вибропрочности оказывает тин В.В. и др. Композиционные материалы:
существенное влияние на конструкцию корпу- Справочник / Под общ. ред. Васильева В. В.,
са и решающим образом определяет облик вто- Тарнопольского Ю.М. М.: Машиностроение,
ричной конструкции изделия. 1990. 512 с.
5. Модель подлежит корректировке по ре- 5. Зенкевич О. Метод конечных элементов
зультатам замеров при испытаниях. Настройка в технике. М.: Мир, 1975. 539 с.
модели проводится по собственным частотам и 6. Галлагер Р. Метод конечных элементов.
коэффициентам усиления. Основы. М.: Мир, 1984. 428 с.
6. Отстроенная по результатам испытания 7. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А.
модель дает 5%-ную погрешность по собственным ANSYS в руках инженера: Практическое
частотам низших тонов и 15%-ную погрешность руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.
по коэффициентам усиления на этих частотах. 8. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф.
7. Уточненная, верифицированная модель ANSYS для инженеров: Справочное пособие.
сопровождает изделие на всем его жизненном М.: Машиностроение, 2004. 512 с.
цикле, являясь надежным инструментом получе- Статья поступила в редакцию 08.07.2014 г.
References
1. Bezmozgii I.M., Sofinskii A.N., Chernyagin A.G. Modelirovanie v zadachakh vibroprochnosti konstruktsii
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., Krasil'nikov A., Il'in A. Rabochaya ploshchadka MAKS 2013 [MAKS 2013 worksite].
Novosti kosmonavtiki, 2013, no. 10, pp. 2–8.
40 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ № 4 (7)/2014ОТРАБОТКА ВИБРОПРОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
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, Mashinostroenie publ., 1990. 512 p.
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. 428 p.
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 URSS publ., 2003. 272 p.
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.
№ 4 (7)/2014 КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 41Вы также можете почитать
