Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОРПУСА МИКРОСПУТНИКА

Смолянский В.А. 1
1 Томский политехнический университет
1. Костюченко Т.Г. САПР в приборостроении: учебное пособие. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010.-207 с.
2. T-FLEX анализ. Пособие по работе с системой. – М., 2011.

Согласно проведенным исследованиям при проектировании микроспутника важной задачей является создание унифицированной конструкции платформы УКП. Основными силовыми элементами корпуса являются платформа с четырьмя стойками, рамы и ребра жесткости, выполненные в виде уголков. Платформа имеет монтажные отверстия по всему периметру, для облегчения веса конструкции, а также придания ей универсальности, т.е. создания и наращивания различных модулей полезной и служебной нагрузок. Корпус имеет геометрические размеры 300×300×300 мм. Все детали выполнены из конструкционного материала АБМ-3М. Масса корпуса составляет 2 килограмма.

teh63.tiff

Рис. 1. Составные элементы корпуса

Необходимость в расчете собственных частот возникает при анализе динамического поведения конструкции под действием переменных нагрузок. Наиболее распространена ситуация, когда при проектировании требуется убедиться в малой вероятности возникновения в условиях эксплуатации такого механического явления, как резонанс. Известно, что резонансы наблюдаются на частотах, близких к частотам собственных колебаний конструкции [1].

Известно, что двигатель-маховик, установленные на борту УКП, работают в диапазоне частот 10-100 Гц, значит, нижние собственные частоты корпуса должны превышать верхнюю границу этого диапазона.

Для проведения проверочных расчетов в программном модуле T-FLEX Анализ необходима конечно-элементная модель (рис. 2).

После задания необходимых начальных условий, проводится определение значений собственных резонансных частот корпуса на рис. 3 представлены четыре формы колебаний конструкции корпуса.

На рисунке показаны наиболее нагруженные участки, которые подвержены негативному воздействию резонансных колебаний, а также указаны максимальные значения деформаций и нагружений в конструкции.

teh64.tiff

Рис. 2. Конечно-элементная модель корпуса

teh65.tiff

Рис. 3. Формы собственных колебаний корпуса

Таблица 1

Результаты собственных резонансных частот конструкции корпуса для каждой формы колебаний

Форма колебаний

Значение резонансной частоты, Гц

1

706,144

2

720,777

3

1052,294

4

1098,482

Полученные результаты частотного анализа показывают, что конструкция является работоспособной, с большим запасом по значениям частот вынужденных механических воздействий.

Квазистатическая нагрузка – это один из видов перегрузок, которые испытывает спутник при выводе на орбиту. Проверочный расчет также проводится с помощью программного модуля T-FLEX Анализ «Статический анализ».

Основная цель статического прочностного анализа конструкций заключается в оценке напряжённого состояния конструкции, находящейся под действием не изменяющихся во времени (статических) силовых воздействий. Условие прочности в общем случае формулируется следующим образом [1]:

Напряжения s, возникающие в конструкции, под действием приложенных к ней внешних сил должны быть меньше допускаемых напряжений [σ] для данного конструкционного материала с учётом коэффициента запаса Kзап по прочности.

tehc111.wmf.

Для проведения статического анализа создается конечно-элементная модель в программном модуле T-FLEX Анализ, с заданием всех начальных условий: (рис. 4).

teh66.tiff

Рис. 4. Конечно-элементная модель микроспутника, с начальными условиями

Проектирование и испытания на воздействие квазистатических перегрузок проводиться с учетом коэффициента безопасности, значение которого устанавливается нормативно-технической документацией на ракетно-космическую технику:

– при наземной эксплуатации – 2,0;

– при старте на участке движения в ТПК – 1,5;

– при старте после выхода из ТПК – 1,3;

– в полете – 1,3

Корпус микроспутника должен сохранять работоспособность после воздействия перегрузок: на Земле во время транспортировки, а также на участке вывода на рабочую орбиту и при отделении от носителя.

Величины нагрузок перекрываются величинами полетных нагрузок. В табл. 2 представлены значения полетных перегрузок.

Таблица 2 

Величины полетных перегрузок

Случай эксплуатации

Перегрузка, g

Продольная (X)

Поперечная (Y, Z)

Старт

3,6±0,7

±2,5

Полет 1 ступени

8,6±0,5

-0,5±1,0

Полет 2 ступени

7,8±0,5

±0,8

Полет 3 ступени

-0,5±3,4

±0,7

Действующие перегрузки:

– поперечные перегрузки могут действовать в любом направлении одновременно с осевыми перегрузками;

– гравитационные перегрузки учтены;

– динамические перегрузки учтены;

– длительность воздействия: 700 секунд.

Исходя из этого, корпус проверяется на воздействие квазистатических перегрузок.

tehc112.wmf,

где Fi – сила, действующая по осям нагружения, Н; g – величина перегрузки, м/с2; m – масса проверяемого объекта, кг; kзап – коэффициент запаса (2,0).

Полученные перегрузки прикладываются в виде усилий по всем трем осям к конечно-элементной модели как показано на рисунке 4. Наибольшие перегрузки действуют при работе первой ступени ракеты-носителя. Результаты расчетов приведены в табл. 3.

Таблица 3 

Результаты статического анализа первой ступени полета

Исследуемый параметр

Значение

Минимум

Максимум

Перемещения, модуль, м

0

1,797⋅10–5

Деформации эквивалентные, м

1,172⋅10–11

1,307⋅10–6

Напряжения эквивалентные, Н/м2

1,091⋅106

2,639⋅105

К-т запаса по эквивалентным напряжениям

320,7

1326

Результаты анализов говорят о том, что эквивалентные деформации при воздействии нагрузки на корпус микроспутника составляют 1,307⋅10–6 метра, т.е. 1,3 микрона. Такая величина не способна вызвать существенные проблемы при эксплуатации корпуса, и никак не повлияет на его полноценную работу.

teh65.tiff

Рис. 5. Результаты статического анализа корпуса

Максимальное значение эквивалентных напряжений составляет 2,639⋅105 Н/м2, с учетом коэффициента запаса эта величина будет вдвое больше, но все равно не превысит допустимые напряжения для конструкционного материала АБМ-3М (tehc115.wmf Н/м2).

Коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям показывает, что существует большой запас прочности для спроектированной конструкции корпуса (tehc116.wmf).

Результаты деформации модели по четырем параметрам представлены на рис. 5.


Библиографическая ссылка

Смолянский В.А. МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОРПУСА МИКРОСПУТНИКА // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3-1.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=12043 (дата обращения: 23.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252