Особенности расчетного обеспечения проектирования трансформируемой космической штанги

Решетнеескцие чтения. 2015

Библиографические ссылки

1. Драбник А. Л., Зузенко В. Л., Кислов А. Г. Ан-тенно-фидерные устройства. М. : Советское радио, 1974. 536 с.

2. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов / Г. М. Гуняев, В. В. Кривонос, А. Ф. Румянцев и др. // Вестник ВИАМ. 2003. № 11. С. 3-16.

3. Справочник по композиционным материалам. В 2 кн. Кн. 2 / под ред. Дж. Любина ; пер. с англ. А. Б. Геллера. М. : Машиностроение, 1988. 584 с.

4. Erik G. Geterud, Pontus Bergmark, Jian Yang. Lightweight Waveguide and Antenna Components Using Plating on Plastics // 7th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2013. Gothenburg, Sweden, 2013. C. 2-5.

5. Olof Dahlsjo, Birger Ljungstrom, Hans Magnusson. Fibre-reinforced Plastic Composites in Sophisticated Antenna Designs // Ericsson Review. 1987. № 2. С. 4-12.

References

1. Drabnik A. L., Zuzenko V. L., Kislov A. G. Antenno-fidernyesistemy [Antenna feeder systems]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1974, 536 p.

2. Gunyaev G. M., Krivonos V. V., Rumjancev A. F. [Polymer composite materials in aircrafts]. Vestnik VIAM. 2003, no. 11, p. 3-16 (In Russ).

3. G. Lubin. Handbook of composites. Vol. 2. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1988, 584 p.

4. Erik G. Geterud, Pontus Bergmark, Jian Yang. Lightweight Waveguide and Antenna Components Using Plating on Plastics. 7th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2013, Gothenburg, Sweden, 2013, p. 2-5.

5. Olof Dahlsjo, Birger Ljungstrom, Hans Magnusson. Fibre-reinforced Plastic Composites in Sophisticated Antenna Designs. Ericsson Review. 1987, no. 2, p. 4-12.

© EonroB B. B., TaftraH B. E., TpygHHHH r. H., 2015

УДК 629.78

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСФОРМИРУЕМОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ШТАНГИ

А. В. Бондарев, В. Г. Гиммельман, О. А. Груничева*, Е. О. Зотова, С. С. Щесняк

ОАО «Научный центр прикладной электродинамики» Российская Федерация, 190103, г. Санкт-Петербург, Рижский просп., 26

*E-mail: olga.grunicheva@scaegroup.com

Рассмотрены особенности расчетного моделирования трансформируемой космической штанги, отражены сложности поставленных задач, предложены способы их решения.

Ключевые слова: Трансформируемая штанга, особенности расчета, конечно-элементное моделирование.

SPECIFIC FEATURES OF CALCULATIVE SUPPORT TO DEPLOYABLE SPACE MAST DESIGN

A. V. Bondarev, V. G. Gimmelman, O. A. Grunicheva*, E. O. Zotova, S. S. Shchesniak

Scientific centre of applied electrodynamics, Ltd. 26, Rizhsky Av., Saint-Petersburg, 190103, Russian Federation *E-mail: olga.grunicheva@scaegroup.com

We investigate the specific features of calculative modeling deployable space mast. The tasks and their solutions are also described.

Keywords: transformable mast, calculative design specific features, finite element modeling

Экспериментальная отработка космических крупногабаритных трансформируемых конструкций требует больших материальных и временных затрат и не всегда обеспечивает корректность результатов из-за сложности имитации космических условий.

В связи с этим расчетное обеспечение проектирования таких конструкций с их полномасштабным математическим моделированием приобретает особую значимость.

При проектировании штанги, задачей которой при развертывании космической антенны системы является перемещение рефлектора диаметром 48 м от космического аппарата (КА) на расстояние 31 м, был выполнен комплекс расчетов, охватывающий все стадии ее эксплуатации - от испытаний и транспортирования штанги в земных условиях до удержания в космосе рефлектора в требуемом положении относительно КА (рис. 1).

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

Задача повышения жесткости штанги и, соответственно, частот собственных колебаний системы «штанга-рефлектор» до требуемого по ТЗ уровня являлась самой сложной. Отсутствие опыта создания подобных конструкций в нашей стране, а также сжатые сроки проектирования потребовали предварительной расчетной работы по поиску оптимальной структуры стержневой конструкции штанги. Поэтому на этапе эскизного проектирования было рассмотрено более 10 вариантов схем построения штанги (рис. 2).

Для дальнейшего проектирования выбрана фер-менно-стержневая конструкция с 4 поясами. Трансформируемый каркас (ТК) штанги состоит из 32 секций, каждая из которых представляет собой параллелепипед с диагональными стержнями на боковых сторонах. Этот вариант и был в дальнейшем реализован в опытном образце (рис. 3). В состав штанги входят

также корневой и концевой механизмы поворота, обеспечивающие необходимое угловое положение рефлектора относительно КА в процессе развертывания антенной системы.

Для оптимизации элементов конструкции разработаны конечно-элементные модели (КЭМ) элементов штанги и конструкции в целом в ПК «А№У8» [1]. Оптимизация конструкции велась по критериям «масса - жесткость - температурные деформации».

Предварительный анализ конструкции штанги показал, что ее жесткостные характеристики в значительной степени зависят от соединительных элементов (СЭ) и шарнирных узлов штанги. Это узлы соединения секций (корпуса), СЭ складывающихся стержней и телескопических раскосов, корневого и концевого механизмов; всего более 10 типоразмеров узлов с общим числом их около восьмисот.

Рис. 1. Перечень расчетного обеспечения проектирования

Рис. 2. Различные схемы построения трансформируемой штанги

Решетнееские чтения. 2015

Температурные деформации штанги в основном определяются длинами СЭ (материал - титановый сплав). Уменьшение же размеров деталей СЭ (осей, проушин и т. д.), в свою очередь, приводит к снижению жесткости соединений.

Рис. 3. Реализованная структура трансформируемой штанги

Необходимость детального учета жесткости СЭ диктовала создание их КЭМ, максимально точно описывающих реальную конструкцию и позволяющих учесть, в том числе, контактные податливости в шарнирных соединениях. Первые попытки создания полномасштабной КЭМ штанги, включающей КЭМ СЭ, показали, что работа с такой моделью требует очень больших ресурсов вычислительной техники, затрудняет поиск оптимальных конструктивных решений.

Было принято решение: разработать КЭМ СЭ отдельно от стержневой конструкции, а затем полученные их характеристики ввести в КЭМ штанги. Созданы объемные КЭМ всех СЭ конструкции с учетом контактирующих пар поверхностей деталей (рис. 4).

Для включения в полномасштабную КЭМ штанги СЭ смоделированы с помощью стержневых конечных элементов с подобранными характеристиками сечений, соответствующими вычисленным на объемных КЭМ податливостям элементов: на растяжение (площадь сечения), изгиб в двух плоскостях (моменты инерции на изгиб) и кручение (момент инерции сечения при свободном кручении).

Особенностью моделирования механизмов поворота штанги стало наличие сферических подшипников в соединениях рычагов привода и устройства фиксации. Для моделирования этих элементов использовались условия совместности перемещений узлов (Coupled DOFs).

В результате выполненных моделирования и анализа, а также соответствующей конструкторской доработки узлов и деталей все значения жесткостей элементов штанги в рабочем положении удовлетворяют предъявляемым к штанге требованиям.

Результаты проведенных испытаний элементов конструкции штанги в целом подтвердили расчетные значения и правильность подхода к решению задачи.

При этом предложенный подход к структурному анализу имеет очевидный недостаток: получена упрощенная матрица жесткости соединительных узлов сложной геометрической формы, поскольку трудновыполнимо абсолютно точное воспроизведение картины нагружения КЭМ отдельных элементов, которая имеет место в конструкции штанги. Однако метод позволил оперативно влиять на процесс проектирования в части повышения жесткости всех элементов конструкции штанги до требуемого уровня.

Библиографическая ссылка

1. Басов К. А. ANSYS : справочник пользователя. М. : ДМК Пресс, 2005. 640 с.

Reference

1. Basov K. A. ANSYS: spravochnik pol'zovatelya. Moscow, DMK Press, 2005, 640 p.

Рис. 4. Конечно-элементные модели соединительных элементов и контактные пары

© Бондарев А. В., Гиммельман В. Г., Груничева О. А., Зотова Е. О., Щесняк С. С., 2015