Разработка программы поиска оптимальной формы, размеров и положения актуаторов на основе непрерывных пьезоэлектрических волокон для управления формо- и размеростабильностью конструкций космической техники

"Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

УДК 629.7

Е. А. Васильева

Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д. Ф. Устинова, Россия, Санкт-Петербург

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ПОИСКА ОПТИМАЛЬНОЙ ФОРМЫ, РАЗМЕРОВ И ПОЛОЖЕНИЯ АКТУАТОРОВ НА ОСНОВЕ НЕПРЕРЫВНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЛОКОН ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМО- И РАЗМЕРОСТАБИЛЬНОСТЬЮ КОНСТРУКЦИЙ

КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Рассматриваются актуальные вопросы разработки алгоритма программ для выбора оптимальных формы и размеров, а также положения актуаторов на основе непрерывных пьезоэлектрических волокон на поверхности многослойных тонкостенных формо- и размеростабильных конструкций космической техники для компенсации нежелательных деформаций, возникающих при внешнем воздействии.

В процессе летной эксплуатации крупногабаритной космической техники (антенные отражатели) огромное значение имеет формо- и размеростабиль-ность конструкции. Перспективным направлением в управлении формо- и размеростабильностью многослойных тонкостенных конструкции является использование актуаторов, выполненных из интеллектуальных материалов, таких как изготовленные на основе непрерывных пьезоэлектрических волокон (ПЭВ) ак-туаторы.

Целью данной научной работы является разработка алгоритмов и программного комплекса поиска оптимальной формы, размеров и положения актуаторов в виде однонаправленных слоев на основе непрерывных ПЭВ, внедренных в структуру многослойной тонкостенной композитной конструкции для компенсации недопустимых деформаций, возникающих в процессе эксплуатации.

В качестве модели для описания поведения многослойной тонкостенной оболочки с активными элементами на основе непрерывных однонаправленных слоев из ПЭВ, выбрана конечно-элементная модель нелинейной многослойной анизотропной оболочки для решения задач термо пьезоэлектричества [1], которая учитывает многослойность материала конструкций, анизотропию свойств материала оболочки и актуато-ра, связанность тепловых, электрических и механических полей, а также позволяет избежать «сдвигового и мембранного запирания» при моделировании многослойных тонкостенных конструкций.

Выбор формы, размеров и места положения актуа-торов на поверхности тонкостенных формо- и разме-ростабильных конструкций определяется минимизацией функционала при вариации параметров проекти-

рования (функциональных свойств актуаторов, угловой ориентации слоев из пьезоэлектрических и армирующих волокон, напряжения, подаваемого на актуа-тор), условии сохранения формы и размеров рабочих поверхностей конструкций при воздействии факторов внешней среды.

Разрабатывается программа поиска оптимального положения, формы и размеров актуаторов из непрерывных ПЭВ, алгоритм которой заключается в последовательном приближении к оптимальному решению на базе малых вариаций функций проектировочных параметров и многократном решении прямых задач отыскания новых приближений функции состояния. Формирование нового приближения проектировочных параметров основано на методе проектировочных градиентов [2].

При разработке алгоритма программы оптимизации формы, размеров и положения пьезоэлектрических актуаторов на основе непрерывных однонаправленных слоев из ПЭВ учитывается связанность меха -нических и электрических полей, а также влияние структурной организации актуатора (ориентация однонаправленных пьезоволокон в активных слоях относительно осей анизотропии слоев КМ оболочки) на его функциональные свойства.

Библиографические ссылки

1. Kulikov G. M., Plotnikova S. V. Exact geometry piezoelectric solid-shell element based on the 7-parameter model // Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2011. Vol. 18. № 2. P. 133-146.

2. Баничук Н. В. Введение в оптимизацию конструкций. М. : [б. и.], 1986.

E. A. Vasilyeva

Baltic State Technical University «Voenmeh» named after D. F. Ustinov, Russia, Saint Petersburg

DEVELOPMENT PROGRAM TO SEARCH OPTIMAL SIZE AND POSITION OF ACTUATORS BASED ON CONTINUOUS PIEZOELECTRIC FIBERS TO CONTROL SHAPE AND SIZE STABILITY

OF SPACE ENGENEERING STRUCTURES

The current issues of the program algorithm development are dealt with to select the optimum shape and size, as well as actuator location on the basis of continuous piezoelectric fibers on the surface of multilayer thin shape- and size-stability of space engineering structure to compensate undesired deformations arising from external effects.

© Васильева Е. А., 2012