Возможности управления характеристиками демпфирования композитных элементов крупногабаритных космических ферменных конструкций

Решетневские чтения

The concept is based on obtaining of the pattern of changes occurred in physical state of the polymer: the polymer reaching the minimum viscosity, gel formation start, highly elastic and glass-like state and completion of curing process.

© Сливинский В. И., Вербицкая Н. А., Гайдачук В. Е., Карпикова О. А., 2009

УДК 620.22-419.8

А. А. Смердов

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Россия, Москва

ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ФЕРМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Рассматриваются возможности управления характеристиками демпфирования композитных элементов крупногабаритных космических ферменных конструкций, возникающие при выборе оптимальных структур армирования этих элементов. На примере углепластиковых стержней рефлектора антенны космического аппарата «Кондор-Э» показаны возможности компромиссной оптимизации динамических и диссипативных характеристик композитных элементов.

Одним из основных преимуществ композитных конструкций является возможность управления их свойствами путем целенаправленного изменения внутренней структуры материала. Это относится не только к традиционно рассматриваемым характеристикам прочности и жесткости, но и к таким свойствам конструкции, как ее способность эффективно гасить возникающие в ней вибрации. Особенно важной становится эта проблема для элементов крупногабаритных космических ферменных конструкций. В композитных конструкциях, в отличие от металлических, потери энергии на внутреннее трение вполне сопоставимы с демпфированием в соединениях и должны учитываться в динамических расчетах [1]. Оптимизация характеристик демпфирования композитных элементов крупногабаритных ферменных конструкций способна существенно повысить скорость затухания свободных колебаний и уменьшить амплитуды вынужденных колебаний в резонансных режимах.

В основе методов оптимизации характеристик демпфирования композитных элементов лежит энергетический подход к учету внутреннего трения при колебаниях механических систем, на базе которого была разработана энергетическая теория диссипативных свойств анизотропных тел [1-3]. Применение энергетического метода сводится к определению частот и форм колебаний консервативной системы и к последующему использованию уравнений энергетического баланса для приближенного определения амплитуд колебаний.

Таким образом, каждой собственной форме колебаний элемента конструкции ставится в соответствие коэффициент диссипации определяемый как отношение потерь энергии во всем объеме элемента за один цикл колебаний к амплитудному значению энергии:

Д 7 ( х, у, z ) dxdydz 7 ( x, у, z ) dxdydz

где 77 (х, у, z) — удельная энергия деформирования материала; Д77 (х, у, z) — удельные потери

энергии в элементарном объеме.

Относительная мощность диссипации определяет рассеяние энергии за единицу времени [1]. Коэффициенты диссипации и мощности диссипации могут быть исследованы на основе технической теории демпфирования композитных балок, пластин и оболочек [2]. В работе приводятся расчетные формулы для различных типов колебаний композитного трубчатого элемента: продольных и крутильных колебаний, изгибных колебаний стержней и колебаний по оболочечным формам

[3].

Приведены графики сопоставления (пример см. на рисунке) расчетных и экспериментальных результатов для нескольких типов углепластиков.

Задача оптимального выбора динамических и диссипативных характеристик композитных элементов всегда является задачей компромиссной оптимизации, в которой улучшение одних характеристик возможно лишь за счет ухудшения других [2].

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космическихаппаратов

Коэффициент диссипации, %

/

/ /

/

/

10 20 30 40 50 00 70 00 90

Угол армирования, rpaayci

Коэффициенты диссипации перекрестно армированных образцов из двух типов углепластика

На примере углепластиковых стержней рефлектора антенны космического аппарата «Кон-дор-Э» показаны возможности компромиссной оптимизации динамических и диссипативных характеристик композитных элементов: возможные оптимальные сочетания коэффициентов диссипации, низших частот собственных колебаний и мощностей диссипации для конкретных типоразмеров композитных трубчатых стержней при различных типах колебаний.

Таким образом, сделаны выводы о возможности компромиссной оптимизации динамических и диссипативных характеристик углепластиковых стержней крупногабаритных космических ферменных конструкций и о возможных оптималь-

ных структурах композитных трубчатых стержней с ограниченным числом слоев.

Библиографический список

1. Zinoviev, P. A. Energy Dissipation in Composite Materials / P. A. Zinoviev, Y. N. Ermakov. Lancaster : Technomic Publishing Co., 1994.

2. Смердов, А. А. Разработка методов проектирования композитных материалов и конструкций ракетно-космической техники : дис. ... докт. техн. наук / А. А. Смердов. М., 2007.

3. Смердов А. А. Оптимизация характеристик демпфирования многослойных композитных стержней / А. А. Смердов // Авиационная промышленность. 2006. № 2. С. 12-18.

A. A. Smerdov

Bauman Moscow State Technical University, Russia, Moscow

POSSIBILITIES OF DAMPING CHARACTERISTICS CONTROL FOR COMPOSITE ELEMENTS OF LARGE-SIZE SPACE TRUSS STRUCTURES

Possibilities of damping characteristics control for composite elements of large-size space truss structures, which appear at the choice of optimal reinforcement structure, are studied. At the example of carbon fiber plastic bars for reflector of space vehicle «Condor-E» the compromise optimization possibilities of composite elements' dynamic and dissipative characteristics are showed.

© Смердов А. А., 2009