Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

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.

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.

Рис. 2. Конечно-элементная модель корпуса

Рис. 3. Формы собственных колебаний корпуса

Таблица 1

Результаты собственных резонансных частот конструкции корпуса для каждой формы колебаний

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.

.

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

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

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.

,

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

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.

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 ( Н/м2).

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

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