Обеспечение конструкторских решений при проектировании паяных волноводно-распределительных систем космических аппаратов

Решетневские чтения

N. A. Testoyedov, V. V. Dvirnyi, V. I. Khalimanovich, G. V. Dvirnyi JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

L. V. Dolgov

FSUE «Design Engineering Bureau „Arsenal" named after M. V. Frunze», Russia, Saint Petersburg

CONCEPTION OF THE LARGE SIZED TRANSFORMED STRUCTURES

FOR THE SPACECRAFT

Large sized transformed multifunction structure conception which provides the maximum possible rocking angles is proposed in the report.

© Тестоедов Н. А., Долгов Л. В., Двирный В. В., Халиманович В. И., Двирный Г. В., 2009

УДК 621.372.83.001.24

Н. А. Тестоедов, В. И. Халиманович, М. М. Михнев, В. Ю. Гусев ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

П. Н. Сильченко, И. В. Кудрявцев Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПАЯНЫХ ВОЛНОВОДНО-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Рассматриваются методы расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенных прямоугольного сечения прямых и изогнутых элементов, а также паяных соединений между ними посредством муфт и фланцев для изготовления волноводно-распределительной системы.

Конструктивно, волноводно-распределитель-ные системы (ВРС) представляют собой набор прямых и изогнутых трубок прямоугольного поперечного сечения, соединенных между собой через муфты посредством пайки в единую и жесткую конструкцию.

Прямоугольное поперечное сечение элементов ВРС можно представить состоящим из отдельных оболочечных конструкций, имеющих радиусы кривизны от нуля до бесконечности при требуемой минимальной толщине стенки. В зависимости от сочетания этих факторов различные участки ВРС можно представить как отдельные пластинки или же оболочки, которые и необходимо соединить между собой посредством пайки через промежуточные элементы.

Современный этап развития теории оболочек и пластин позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние пластинок, геометрия которых определяется искривленной плоскостью, имеющей два главных радиуса кривизны в двух взаимно ортогональных плоскостях, и неопределенными очертаниями границ контура, а также перекрещивающимися направлениями радиусов кривизны.

Использование такого параметра, как радиус кривизны, означает, что форма оболочки в какой-

то плоскости, определяемой соответствующим сечением, должна иметь вид достаточно гладкой, непрерывной кривой либо простой прямой линии. Резкие переходы (складки) в геометрии формы общая моментная теория оболочек описать одной системой дифференциальных уравнений равновесия не в состоянии, поскольку такой переход означает разрыв (резкий переход в значении и знаке) в функции радиуса кривизны, которая должна быть непрерывной, так как математические преобразования при этом невозможны.

Этот недостаток не позволяет напрямую использовать классическую теорию оболочек для решения задач с оболочечными конструкциями, имеющими складки формы, т. е. применительно к стержням коробчатого сечения, которые и представляют собой отдельные участки волноводно-распределительных систем космических аппаратов.

Выходом из данной ситуации является разбиение исходной конструкции на отдельные элементы, напряженное состояние которых полностью определяется теорией оболочек. Границы таких элементов будут определяться местами резкого изменения в очертании геометрии оболочки, поэтому на таких границах необходимо будет добавлять условия перехода для усилий и переме-

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космическихаппаратов

щений, конкретный вид которых будет зависеть от формы складки. Такой способ имеет недостаток: в разы увеличивается количество систем дифференциальных уравнений, и оно пропорционально числу отдельных элементов, на которые разбита исходная оболочка сложной формы. К ним добавятся и уравнения перехода между элементами.

Следовательно, это приводит к тому, что аналитическое решение данной задачи будет затруднено, и в этом случае для отдельных этапов расчета потребуется прибегнуть к численным методам, приводящим к появлению погрешностей, присущих выбранному численному методу, ошибкам округления и возможностям выбранной вычислительной системы. Однако на величины таких погрешностей мы можем напрямую влиять в зависимости от того, какую точность необходимо получить, и от того, какой мощности вычислительные процессоры будут в нашем распоряжении.

Точность решения также зависит от используемого типа конечного элемента и степени его функции формы. Многие распространенные типы конечных элементов в известных пакетах прикладных программ (ППП) рекомендуют упрощенную КЭ-модель, что не позволяет учесть те или иные виды внешних воздействий, а в результате, будет снижаться точность проводимых расчетов.

Увеличение степени функции формы может привести к улучшению точности, особенно в местах локальных концентраций напряжений или резких изменений геометрии или приложения сосредоточенных нагрузок при резкой смене механических свойств материала, а также других влияний особенностей конструктивных факторов

ВРС.

Произведенный расчет ВРС в целом и отдельных элементов в частности в конечном итоге

должен быть взаимосвязан с реальным процессом окончательной технологии изготовления, в результате которой, как было уже сказано, отдельные элементы в локальных зонах будут подвергаться воздействию различных нагрузок.

Реальный технологический процесс пайки характеризуется многофакторностью, наличием не поддающихся контролю воздействий, сложными зависимостями между технологическими параметрами процесса и, как следствие, отсутствием достаточной априорной информации о его закономерностях, большими помехами и значительным запаздыванием по основным каналам управления и измерения, нестационарностью, противоречивостью требований, предъявляемых к качеству изделий и производительности процесса.

Выполненный анализ литературных источников показал, что в настоящее время не существует приемлемых методов, способов и технологий для автоматизированной пайки элементов волновод-но-распределительных систем для космических аппаратов.

С учетом всех вышеуказанных факторов были разработаны методики расчета напряженно-деформированного состояния прямых и изогнутых участков ВРС, а также соединений их с муфтами и фланцами. Разработаны методы статического расчета напряженно-деформированного состояния и термоупругого анализа отдельных элементов и всей ВРС в целом независимо от ее протяженности и типоразмера сечения.

На основе разработанных методик созданы ППП, позволяющие производить обстоятельный анализ при проектировании отдельных участков и ВРС в целом.

Рассчитанные отдельные элементы и изготовленная ВРС в целом подвергаются экспериментальным исследованиям на все виды механических воздействий с целью проверки достоверности принимаемых решений.

N. A. Testoedov, V. I. Khalimanovich, M. M. Mihnev, V. Yu. Gusev JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

P. N. Silchenko, I. V. Kudryavcev Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk

PROVIDING THE ENGINEERING SOLUTIONS AT DESIGNING OF SOLDERED WAVEGUIDE DISTRIBUTIVE SYSTEMS OF SPACE COMMUNICATION SATELLITES

Proposals of calculation methods of stress analysis of straight and curved elements with thin-walled sections as well as soldered joints between them by means of couplings and flanges to produce waveguide distributive system are considered.

© Тестоедов Н. А., Халиманович В. И., Михнев М. М., Гусев В. Ю., Сильченко П. Н., Кудрявцев И. В., 2009