Разработка методов анализа динамики и оценки работоспособности раскрывающихся крупногабаритных космических конструкций ферменного типа

На основе анализа размерности и анализа уравнений движения в лагранжевой форме получены следующие критериальные уравнения для моделирования процесса раскрытия, в частности, антенн ферменного типа.

,

,

,

,

где - характерный линейный размер, с помощью которого могут быть выражены в определенных долях все остальные размеры; - площадь поперечного сечения стержней; - модуль упругости материала стержней; - модуль упругости материалов шарниров; - жесткость пружин в шарнирных соединениях; - коэффициент трения в шарнирах; - погонная масса стержней; - плотность материала стержней; - время протекания процесса; - ускорение свободного падения; - перегрузки в конструкции; - угол между осью стержня и вертикальной осью; - частота колебаний; - усилия в стержнях; - потенциальная энергия предварительной затяжки пружин.

Модель и натурная конструкция должны быть геометрически подобными. Однако форма поперечного сечения стержней в модели и натурной конструкции может быть различной в соответствии с критерием . При этом должны быть подобными распределения погонных масс стержней , коэффициентов трения в шарнирах , модулей упругости материалов стержней и шарниров и начальной затяжки пружин . При соответствующем подборе материалов и масштабов модели перенесение земных модельных испытаний в орбитальные условия для реальной конструкции имитирует невесомость с погрешностью, составляющей 4...8 %.

В заключении сформулированы общие выводы по работе.

В процессе выполнения работы получены следующие основные результаты.

1. Предложен комплексный подход к анализу динамики раскрывающихся крупногабаритных космических конструкций ферменного типа на основе совокупности разработанных моделей, каждая из которых нацелена на решение конкретных технических задач, связанных с исследованием параметров процесса раскрытия, определением динамических характеристик конструкции и оценкой прочности ее элементов. Он позволил с единых методических позиций упорядочить и формализовать построение расчетных моделей разной сложности за счет более полного учета физических свойств элементов реальной конструкции в соответствии с задачами этапов их проектирования, изготовления и экспериментальной отработки.

2. Создан комплекс методик и разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс определения рациональных параметров раскрывающихся конструкций.

3. Дана оценка влияния массовых характеристик отдельных элементов конструкций ферменного типа на параметры ее раскрытия. Установлено, что для конструкций, масса стержней которых не превышает 20% массы шарниров, замена реальных стержневых элементов с распределенной массой невесомыми элементами с разнесенными сосредоточенными массами в шарнирах приводит к упрощенной модели раскрытия, удобной для численного интегрирования, снижению объема проводимых вычислений и уменьшению вероятности появления ошибок.

4. Разработан метод оценки работоспособности раскрывающихся конструкций на основе комбинации метода расчета поля скоростей их элементов в момент полного раскрытия в предположении, что все элементы являются абсолютно твердыми телами и метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния упругих конструкций во времени при заданных начальных условиях.

5. Исследованы динамические характеристики раскрывающихся космических конструкций ферменного типа с габаритными размерами 5Ч3 м, 6Ч3 м, 6Ч7 м, элементы которых выполнены как из традиционных, так и композиционных материалов. Выявлены диапазоны частот, соответствующие собственным колебаниям конструкции. Установлено, что при использовании унифицированных трубчатых элементов в конструкциях складывающихся и диагональных стержней существенное влияние оказывают жесткостные свойства на растяжение-сжатие складывающихся стержней, при этом изменение жесткостных свойств диагональных стержней оказывает влияние на значения частот упругих колебаний конструкции лишь в пределах 2...3%.

6. Получены определяющие критерии для моделирования процесса раскрытия конструкций ферменного типа в виде безразмерных комплексов основных параметров, включающих их геометрические и физические характеристики. Показано, что поведение реальных конструкций в невесомости с достаточной для практики точностью моделируется при проведении испытаний в земных условиях при соответствующем выборе материалов и масштабов их моделей.

7. Полученные научные результаты использованы при проектировании, изготовлении и экспериментальной отработке раскрывающихся конструкций рефлекторов космических антенн в ГК НПЦ им. М.В. Хруничева, НПО Машиностроения и ОКБ МЭИ.

Изложенное, как представляется, дает основание считать, что результаты многолетних исследований, нашедших отражение в диссертации, могут быть квалифицированы как крупное научное достижение, заключающееся в создании новых научно обоснованных подходов и реализующих их методов анализа динамики раскрывающихся крупногабаритных космических конструкций ферменного типа, а также оценки их работоспособности на начальной стадии проектирования и отработки по результатам наземных испытаний.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Долгополов Г.А., Зимин В.Н., Коровайцев А.В. Об одном алгоритме расчета движения замкнутых механических систем // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1986. - № 2. - C. 55-58.

2. Коровайцев А.В., Зимин В.Н. Расчет движения многозвенных систем // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1986. - № 7. - C. 53-56.

3. Усюкин В.И., Зимин В.Н. Расчет параметров движения замкнутых многозвенных систем // Расчеты на прочность. - 1989. - Вып. 29. - С. 201-209.

4. Зимин В.Н., Мешковский В.Е., Усюкин В.И. К расчету раскрытия космической ферменной антенны из транспортного положения в рабочее // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных тел: Материалы IV Международного симпозиума. - Москва, 1998. - С. 107-112.

5. Зимин В.Н., Мешковский В.Е. Разработка принципов моделирования динамического поведения крупногабаритных космических антенн // Оборонная техника. - 1999. - № 1-2. - С. 77-81.

6. Зимин В.Н., Мешковский В.Е. Моделирование раскрытия ферменной космической крупногабаритной антенны // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Материалы V Международного симпозиума, г. Ярополец, 15-19 февраля 1999 г. - Москва, 1999. - С. 111-116.

7. Зимин В.Н., Мешковский В.Е. К расчету космической самораскрывающейся ферменной конструкции // Современные проблемы прочности: Научные труды III Международного семинара им. В.А. Лихачева, г. Старая Русса, 20-24 сентября 1999 г. - Великий Новгород, 1999. - Т.1. - С. 150-153.

8. Зимин В.Н., Колосков И.М., Мешковский В.Е. Особенности динамического расчета раскрывающейся космической антенны // Оборонная техника. - 2000. - № 1-2. - С. 60-62.

9. Зимин В.Н., Колосков И.М., Мешковский В.Е. Динамические испытания раскрывающейся зеркальной космической антенны // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2000. - № 2. - С. 120-124.

10. Зимин В.Н., Колосков И.М., Мешковский В.Е. К расчету динамических характеристик раскрывающейся крупногабаритной ферменной антенны // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Материалы VI Международного симпозиума, г. Ярополец, 14-18 февраля 2000 г. - Москва, 2000. - С. 34-35.

11. Зимин В.Н., Колосков И.М., Мешковский В.Е. Особенности расчета динамических характеристик раскрывающейся ферменной космической конструкции // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2001. - № 2. - С. 12-15.

12. Зимин В.Н., Мешковский В.Е. Механика раскрывающейся ферменной космической конструкции // Теоретическая и прикладная механике: Аннотации докладов Восьмого Всероссийского съезда, г. Пермь, 23-29 августа 2001 г. - Екатеринбург, 2001. - С. 276-277.

13. Зимин В.Н., Мешковский В.Е. К определению динамических характеристик раскрывающейся космической конструкции // Современные проблемы прочности: Научные труды V Международного семинара им. В.А. Лихачева, г. Старая Русса, 17-21 сентября 2001 г. - Великий Новгород, 2001.- Т. 1. - С. 246-249.

14. Зимин В.Н. Анализ процесса раскрытия ферменной космической конструкции // Оборонная техника. - 2002. - №№ 1-2. - С. 105-109.

15. Зимин В.Н., Колосков И.М., Мешковский В.Е. К построению математической модели ферменной раскрывающейся конструкции // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Материалы VIII Международного симпозиума, г. Ярополец, 11-15 февраля 2002 г. - Москва, 2002.- С. 69-70.

16. К определению динамических характеристик раскрывающейся космической конструкции / В.Н. Зимин, И.М. Колосков, В.Е. Мешковский и др. // Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация. Области эффективного применения в XXI веке: Доклады III Международной конференции-выставки. - Королев, 2002. - Кн. II. - С. 397-404.

17. Зимин В.Н., Колосков И.М., Мешковский В.Е. Об одном подходе к моделированию динамического поведения раскрывающейся ферменной конструкции // Оборонная техника. - 2002. - № 11. - С. 73-76.

18. Зимин В.Н. Динамика самораскрывающейся ферменной космической конструкции // Оборонная техника. - 2003. - № 1-2. - С. 63-67.

19. Зимин В.Н. Численный анализ прочности элементов раскрывающихся структурных космических конструкций // Оборонная техника. - 2004. - № 5. - С. 35-38.

20. Зимин В.Н. Особенности расчета раскрывающейся ферменной космической конструкции // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2005. - № 1. - С. 20-25.

21. Зимин В.Н. Метод расчета раскрывающихся космических структурных конструкций // Оборонная техника. - 2005. - № 4-5. - С. 3-7.

22. Зимин В.Н., Мешковский В.Е. К расчету раскрывающейся крупногабаритной структурной конструкции // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Материалы XI Международного симпозиума, г. Ярополец, 14-18 февраля 2005 г. - Москва, 2005. - С. 68-70.

23. Зимин В.Н., Мешковский В.Е. Динамика крупногабаритных раскрывающихся космических конструкций // Ракетно-космическая техника. Фундаментальные и прикладные проблемы: Труды 2-й Международной конференции. - Москва, 2005.- Ч. II. - С. 27-32.

24. Бей Н.А., Зимин В.Н. Трансформируемые антенны больших размеров для геостационарных космических аппаратов // Антенны. - 2005. - № 10. -С. 24-27.

25. Зимин В.Н. Трансформируемые ферменные конструкции зеркальных антенн больших размеров // Антенны. - 2005. - Вып. 10. - С. 28-31.

26. Зимин В.Н., Мешковский В.Е. Расчет раскрывающихся трансформируемых крупногабаритных космических конструкций // IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике: Аннотации докладов. - Нижний Новгород, 2006. - Т. III. - С. 96.

27. Зимин В.Н. Механика трансформируемых структурных космических конструкций // Вестник Самарского госуниверситета. Естественнонаучная серия. Механика. - 2007. - № 4 (54). - С. 105-114.

28. Зимин В.Н. Особенности моделирования динамики раскрытия конструкций ферменного типа // Материалы XI Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. - Красноярск, 2007. - С. 25-26.

29. Зимин В.Н. Об одном подходе к расчету прочности элементов космических ферменных конструкций при их раскрытии // Вестник МГТУ. Машиностроение. - 2008. - № 2. - С. 3-10.

Размещено на Allbest.ru