 |
|
Современное состояние вопроса исследования напряженно-деформированного состояния конструкций КЛА
РЕФЕРАТ
Дипломный проект: 101 стр., 50 ил., 18 таб., 26 ист., 1 прил.
КОМПЬЮТЕРНАЯ МЕХАТРОНИКА, КОМПЛЕКС СЪЕМОЧНОЙ АППАРАТУРЫ МИКРОСПУТНИКОВ.
Цель проекта: Расчет и анализ напряженно-деформированного состояния сварного и сборного корпуса для комплекса съемочной аппаратуры микроспутников.
В результате выполнения был сделан расчет напряженно-деформированного состояния сварного и сборного корпуса для комплекса съемочной аппаратуры микроспутников.
Практическая реализация возможностей математического моделирования и вычислительного эксперимента существенно повышает эффективность инженерных разработок особенно при создании принципиально новых, не имеющих прототипов машин и приборов, материалов и технологий, что позволяет сократить затраты времени и средств на использование в технике передовых достижений физики, химии, механики и других фундаментальных наук.
Вычислительный эксперимент позволяет оптимизировать ранние стадии проектных разработок, снизить стоимость продукции, сократить цикл разработки, состоящий в изготовлении образцов-прототипов, их испытаниях и повторном изготовлении образцов, а также свести к минимуму дорогостоящий процесс доработки изделия. Таким образом, математическое моделирование является неизбежной составляющей научно-технического прогресса.
Использование математического моделирования обеспечивает современным инженерам конкурентное преимущество ещё и потому, что позволяет улучшать существующие конструкции, в том числе и за счет учёта, существенных особенностей свойств конструкционных материалов.
В связи с вышесказанным для сравнения напряженно-деформированного состояния двух типов корпусов был поставлен эксперимент по изучению свойств материалов и построена адекватная конечно-элементная модель. Результаты эксперимента были сверены с численным решением. Построенная конечно-элементная модель применялась для расчёта задачи о нахождении напряжённо-деформированного состояния сварного и сборного.
Такой подход довольно трудоёмок, но в отличии от экспериментального изучения напряжённо-деформированного состояния более экономичен, на стадии разработки, даёт полную оценку полученной в последующем конструкции.
Студент дипломник подтверждает, что приведенный в дипломной работе расчетно-аналитический материал объективно отражает состояние исследуемого процесса, все заимствованные из литературных и других источников теоретические и методологические положения и концепции сопровождаются ссылками на их авторов.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………….………………5
1 Современное состояние вопроса исследования напряженно-деформированного состояния конструкций КЛА……………………………..8
1.1 Обеспечение прочности и жесткости конструкции КЛА…………..8
1.2 Обеспечение высокой технологичности конструкции…………….12
1.3 Теоретические основы конечно-элементного анализа…………….13
1.4 Выбор программного обеспечения. Описание и анализ возможностей программного комплекса ANSYS………………………………………...18
1.5 Основные уравнения теории упругости . Типы задач теории упругости………………………………………………………………………………...22
1.5.1 Основные уравнения теории упругости……………………22
1.5.2 Типы задач теории упругости……………………………….23
1.5.3 Прямая и обратная задачи теории упругости………………23
1.5.4 Уравнения теории упругости в перемещениях(уравнения Ламе)…………………………………………………………………………...…24
2 Обзор данных необходимых для инженерного анализа…….………………29
2.1 Описание комплекса съемочной аппаратуры микроспут-ников…..29
2.2 Свойства титана и титанового сплава……………………………….30
3 Построение геометрических моделей и разбиение на конечные элементы. Сборный и сварной корпус для комплекса съемочной аппаратуры микроспутников…………………………………………………………………….......36
3.1 Построение геометрической модели сборного корпуса для комплекса съемочной аппаратуры микро спутников (КСАМ)………………………...36
3.2 Выбор и описание типов конечных элементов для сборного корпуса…………………………………………………………………………………..38
3.3 Построение геометрической модели сварного корпуса для комплекса съемочной аппаратуры микроспутников……………………………………40
3.4 Выбор и описание типов конечных элементов для сварного корпуса…………………………………………………………………………………..42
4 Сравнительный анализ жёсткости и прочности сварного и сборного корпуса КСАМ………………………………………………………………………….44
4.1 Расчет сварного и сборного корпуса КСАМ на Земле……………..47
4.2 Расчет сварного и сборного корпуса КСАМ при взлете…………...53
4.3 Расчет воздействия температурных нагрузок на сборный и сварной корпус КСАМ на орбите в космосе…………………………………………….59
4.4 Сравнение двух корпусов на жесткость……………………………..65
4.5 Выводы по главе………………………………………………………66
5 ОХРАНА ТРУДА……………………….…………………………………..…67
5.1 Производственная санитария и техника безопасности………….…68
5.2 Электробезопасность…………………………………………………76
5.3 Пожарная безопасность……………………………………………....79
6 Экономическая часть……………….…………………………………………82
7 Заключение…………………………………………………………………….94
8 Список использованных источников………………………………………...95
ВВЕДЕНИЕ
Так как данный дипломный проект связан с исследованием корпуса для комплекса съемочной аппаратуры микроспутников, который относится к космонавтике, рассмотрим историю создания белорусского космического аппарата.
Проект первого белорусского спутника возник в 2003 году. Космический аппарат «БелКА» планировалось сделать элементом белорусско-российской группировки спутников дистанционного зондирования Земли. Данные с него необходимы для работы МЧС, Минприроды, Минтранса и других заинтересованных ведомств.
Назначение аппарата:
· контроль возобновляемых и естественных природных ресурсов
· контроль за землепользованием и сельскохозяйственным производством
· определение площадей, перспективных для поиска полезных ископаемых
· контроль ресурсов и экологии шельфа (для зарубежных заказчиков)
· контроль чрезвычайных ситуаций
· экологический контроль окружающей среды
· обновление топографических карт
Орбита спутника массой 750 кг круговая, солнечно-синхронная, высота 506 км, наклонение — 97,6°. «БелКА» должен облетать за сутки всю поверхность Земли, в том числе Беларусь. Снимки, полученные с борта космического аппарата, дадут возможность рассмотреть объекты на земной поверхности в панхроматическом режиме (один канал) с разрешением 2—2,5 метра и в многоканальном режиме (4 канала) с разрешением 10 метров. Оптикоэлектронную аппаратуру космического аппарата общим весом 150—200 кг изготовили белорусские предприятия — «Пеленг», Институт кибернетики, ряд других коллективов.
Хронология создания спутника:
· середина 2003 - начало разработки
· 3 ноября 2003 - согласование технических заданий на КА и его системы, определение объема экспериментальной отработки
· 12 января 2004 - контракт на создание КА "БелКА" между ЗАО "ЦНИИМАШ-Экспорт" и РКК "Энергия"
· февраль 2004 - выпуск эскизного проекта КА
· 22-23 марта 2004 - защита эскизного проекта в Национальной академии наук Беларуси и ОАО "Пеленг"
· середина 2004 - завершение выпуска конструкторской документации на КА
· ноябрь 2004 - испытания динамического макета КА
· начало 2004/ноябрь 2004 - изготовление корпуса летного аппарата
· 4 февраля 2005/11 мая 2006 - всесторонние испытания "БелК-и"
10 мая 2006 в Федеральном космическом агентстве прошло заседание Государственной комиссии на которой было принято решение о вывозе космического аппарата «БелКА» на космодром Байконур. Спутник был доставлен туда 11 мая. Первоначально кластерный запуск (совместно с аппаратами Бауманец, УниСат-4 и др.) с помощью ракеты-носителя «Днепр» было запланировано произвести 28 июня, однако 13 июня было объявлено, что в связи с неисправностью в бортовом цифровом вычислительном комплексе ракеты-носителя принято решение о её замене. Операция по замене РН в шахтной пусковой установке займет до шести дней, после чего будет вновь проведен полный цикл проверок. Новой датой запуска было названо 26 июля. К этой дате на Байконур прибыл Президент Белоруссии — Александр Лукашенко. Запуск произошёл в 23:43 МСК, однако на 73-й секунде полета произошло аварийное отключение двигателей ракеты. Фрагменты ракеты со спутниками упали в пустынной местности на юге Казахстана, при этом никто не пострадал. Для выяснения причин аварии была сформирована аварийная комиссия, которая провела расследование.
Второй белорусский космический аппарат дистанционного зондирования Земли был создан по заказу НАН Беларуси. Запуск осуществился с космодрома «Байконур» 22 июля 2012 года вместе с российским спутником «Канопус-В». Спутник примерно за 43 минуты был выведен ракетой-носителем «Союз» и разгонным блоком «Фрегат» на орбиту высотой примерно в 500—520 км. В дальнейшем спутник войдет в группировку спутников, которая будет использоваться в проектах Союзного государства. Масса спутника составляет 400 кг, разрешение — 2 метра.
29 августа 2012 года со спутника начали поступать первые космические снимки.
В данный момент на предприятии «Пеленг» в НКУ «Космос» в процессе разработки находится комплекса съемочной аппаратуры микроспутников, который является объектом моего исследования.
Задачами моего дипломного проекта является исследование напряженно-деформированного состояния двух типов корпусов (далее КСАМ), а также предложить свой вариант облегчения КСАМ без существенных изменений физических характеристик конструкции.
Современное состояние вопроса исследования напряженно-деформированного состояния конструкций КЛА
1.1 Обеспечение прочности и жесткости конструкции КЛА
Прочность конструкции. Под прочностью конструкции ЛА в целом и отдельных его элементов понимают их способность выдерживать действующие нагрузки без остаточных деформаций и разрушения. Решение задачи по обеспечению прочности включает в себя ряд регламентов, перечень и содержание которых определяются концепцией проектирования конструкций. Современные концепции условно можно разделить на три группы: детерминистические, вероятностные и оптимизационные.
Основу детерминистического подхода составляет коэффициент безопасности, определяемый как отношение разрушающей нагрузки к эксплуатационной:
Разрушающей называется такая нагрузка Nразр, при которой возникает предельное напряженно-деформированное состояние материала элементов конструкции, соответствующее началу разрушения или появлению больших деформаций, при которых нарушается работа конструкции. Под эксплуатационной Nэ нагрузкой понимают наибольшую возможную при нормальной эксплуатации нагрузку, определенную расчетом.
Определение параметров конструкции и расчет прочности ведется, как правило, по разрушающим нагрузкам. Поскольку разрушение конструкций может происходить вследствие исчерпания прочности или вследствие потери устойчивости, то соответственно в качестве разрушающих напряжений принимают предел прочности материала σв или критическое напряжение σкр . Для конструкций с многократным повторным действием нагрузок напряжения растяжения или сжатия, действующие при эксплуатационной нагрузке, не должны превышать условного предела текучести материала σ0,2 (чтобы практически исключить остаточные деформации). В этих случаях, которые оговариваются особо, расчет прочности удобнее проводить по эксплуатационным нагрузкам и действующие напряжения σэдейст сравнивать с напряжениями σ0,2 т.е. σэдейст ≤ σ0,2.
Исторически коэффициент безопасности вводился с целью учета неопределенных отклонений, неизбежно имеющих место на практике. В числе таких неопределенностей:
— отклонения, вызванные неточностью определения и
случайным характером внешних нагрузок;
— неточности расчетных методов на прочность;
— отклонения в прочностных свойствах материалов;
— отклонения, вызываемые износом в процессе эксплуатации;
— технологические отклонения при производстве и сборке.
Для уменьшения коэффициента безопасности необходимо изучать эти пять источников отклонений. В современных условиях для беспилотных ЛА коэффициент безопасности, равный 1,3, считается общепринятым стандартом; для ответственных элементов конструкции принимают f = 1,5. Для пилотируемых ЛА коэффициент безопасности имеет большие значения: f = 1,5—2.
Хотя детерминистический подход принят и широко применяется, пересмотр его то возобновляется, то прекращается. Существуют сторонники изменений и сторонники сохранения существующего положения. Возможно, назначенный коэффициент безопасности 1,3 (1,5 или 2) является рациональным, поскольку он основан на опытных данных по эксплуатации пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов. Но, с другой стороны, он является произвольным, так как мы до сих пор не располагаем достоверной количественной оценкой неопределенностей в конструировании, технологии и эксплуатации, которые должны компенсировать с помощью коэффициента безопасности. Однако независимо от того, может или не может быть оценена количественно степень полетной безопасности, обеспечиваемой коэффициентом безопасности, опытом его применения нельзя пренебрегать.
Вероятностные методы определения расчетных условий прочности основаны на установлении соотношения между прочностью конструкции и ее надежностью. Уровень надежности задается детерминистически на основе опыта эксплуатации существующих ЛА или по требованиям заказчика. Кроме того, в некоторых методах вероятностного подхода задается распределение надежности по различным элементам конструкции. При этом расчетные нагрузки и коэффициент безопасности определяются в соответствии с заданным уровнем надежности.
Заметим, что уровень вероятности разрушения в качестве регламента прочности – физически более ощутимая величина по сравнению с коэффициентом безопасности. Даже не прибегая к установлению оптимального значения вероятности разрушения конструкции, можно судить об относительной надежности путем сравнения ее с механической надежностью уже существующих ЛА.
Вероятностные подходы к конструированию рассматриваются как более реалистичные по сравнению с детерминистическими. Вместе с тем пока не приходится говорить об их широком внедрении. Одна из причин такого положения состоит в отсутствии необходимых статистических материалов по внешним нагрузкам и прочностным характеристикам конструкции; нельзя недооценивать и роль традиций.
В оптимизационных методах регламенты прочности формируются на основе решения оптимизационной задачи. Чаще всего оптимизируется коэффициент безопасности. С его увеличением, с одной стороны, растет масса и, следовательно, уменьшается эффективность ЛА, но, с другой стороны, уменьшаются потери от возможного разрушения.
В качестве критериев оптимальности в этих задачах выбираются условия получения минимальной массы при заданном уровне надежности или минимуме экономических затрат при выполнении целевой задачи. Возможны и другие целевые функции. Типичные трудности, возникающие при практическом решении оптимизационных задач, заключаются в сложности способов отыскания экстремумов функций многих переменных при наличии дополнительных ограничений, а также в сложности получения достоверных стоимостных данных при использовании экономических критериев.
Даже краткий анализ концепций нормирования прочности указывает на то, что в настоящее время детерминистический подход является преобладающим. Однако и другие подходы нельзя сбрасывать со счетов. Они могут и должны рассматриваться в качестве научной базы для обоснования детерминистических регламентов. Можно ожидать, что со временем более широко будут использоваться вероятностные подходы к проектированию конструкций, но степень их применимости может иметь определенную границу. Будущие подходы, вероятно, будут более строгими и одновременно будут включать упрощения чисто статистического характера.
Коэффициент безопасности – важнейший, но не единственный регламент прочности в детерминистическом подходе. При проектировании конструкций используется еще целая группа регламентов, связанных с внешними нагрузками. Их подробное рассмотрение является задачей курса «Расчет ЛА на прочность». Поэтому мы ограничимся рассмотрением лишь проектного аспекта внешних нагрузок.
1.2 Обеспечение высокой технологичности конструкции
Основное содержание данного этапа состоит в «материализации» исходного решения, насыщении его информацией, отражающей требования производственной и эксплуатационной технологичности. Результатом этого этапа конструирования является выпуск рабочей конструкторской документации или других носителей информации, необходимых для изготовления деталей и сборки узлов, агрегатов и всего ЛА в целом. Требование высокой технологичности, как правило, приводит к утяжелению и в ряде случаев – к усложнению конструкций. Повышению технологичности способствуют: расчленение конструкции на агрегаты, отсеки и панели; минимальное число деталей; простые конфигурации деталей, допускающие применение высокопроизводительных процессов; правильный выбор конструкционных материалов с учетом их технологических свойств; минимальный расход материалов.
Простота конструкции, пожалуй, самая комплексная характеристика технологичности. Создать простую конструкцию всегда труднее, чем сложную, но зато такая конструкция всегда значительно лучше осваивается производством. Упрощение конструкции достигается за счет целого ряда факторов: важное значение имеют простые конфигурации деталей, использование стандартных и нормализованных деталей, применение минимального числа типоразмеров и номенклатуры материалов и полуфабрикатов. Большие возможности упрощения конструкции открывает также использование ранее освоенных в производстве и опробованных в эксплуатации узлов и деталей. Простота и технологичность конструкций существенно зависят от метода получения заготовок.
Значительное влияние на технические свойства ЛА оказывает применяемый материал. Механические и физические свойства материала должны обеспечивать минимальную массу конструкции, допускать применение высокопроизводительных технологических процессов. Материалы должны быть коррозионно-стойкими, недорогими и изготовленными из недефицитного сырья. С точки зрения технологии производства и эксплуатации очень важно, чтобы конструкционный материал не имел склонности к образованию трещин и хорошо обрабатывался. Эти качества материала тем лучше, чем выше его пластичность, которая свидетельствует о способности материала поглощать энергию при деформации и потому является важнейшей характеристикой работоспособности, а следовательно, и ресурса конструкции.
Производственно-технологическое совершенство ЛА зависит также и от общего технического уровня производства – степени освоения передовых методов обработки материалов, состояния станочного парка, уровня автоматизации и механизации производственных процессов и т.п. Технологичность конструкции ЛА проявляется на этапе его создания через трудоемкость и себестоимость производства. На последующих стадиях жизненного цикла ЛА она влияет на его эффективность через такие эксплуатационные факторы, как удобство контроля состояния, обслуживания и ремонта, надежность и долговечность и т.п.