Опыт применения пакета NASTRAN в учебном процессе на кафедре «Космические аппараты
и ракеты-носители» МГТУ им. Н.Э.Баумана
В.И. Усюкин, И.С.Виноградов, М.Ю.Архипов
С 1996 г. в МГТУ на кафедре «Космические аппараты и ракеты-носители» проводятся работы по внедрению пакета NASTRAN в учебный процесс. За это время около двадцати российских и зарубежных студентов и аспирантов выполнили свои дипломные работы с использованием пакета NASTRAN по различным тематикам работы кафедры. К этим работам относятся моделирование статики современных и перспективных ракет-носителей, статики и динамики крупногабаритных конструкций орбитальных станций, моделирование протяженных структур типа космических антенн и солнечных парусов. Наиболее значительной работой за это время стало сотрудничество с Астрокосмическим центром Физического Института им. Лебедева РАН по созданию крупногабаритного космического радиотелескопа “Радиоастрон”.
В настоящее время, в соответствии с планом международного сотрудничества, создается космический радиотелескоп (КРТ) "Радиоастрон" КА «СПЕКТР-Р», предназначенный для работы в диапазонах длин волн 1,35 см, 6 см, 18 см и 92 см.. Общий вид КРТ представлен на рис. 1. Его орбитой является сильно вытянутая эллиптическая орбита с апогеем около 90000 км, перигеем около 3000 км и наклонением 51.6.
Рис. 1. Общий вид КРТ.
КРТ состоит из двух основных частей: рефлектора и космического аппарата, обеспечивающего функционирование КРТ на орбите.
Зеркало рефлектора состоит из центральной части и 27 лепестков, которые на этапе выведения на орбиту складываются вокруг продольной оси Х аппарата (рис.2). Зеркало в развернутом виде представляет собой параболоид вращения с фокальным расстоянием 4220 мм и диаметром 10000 мм. Технические характеристики КРТ приведены в таблице 1.
Таблица 1
Масса
|
5600 кг
|
Масса рефлектора
|
1400 кг
|
Диаметр зеркала
|
10000 мм
|
Фокальное расстояние
|
4220 мм
|
Длина в транспортном положении
|
5.6 м
|
Диаметр в транспортном положении
|
около 3 м
|
Параметры орбиты:
высота апогея
высота перигея
наклонение
|
90000 км
3000 км
51.6
|
Рабочие длины волн
|
13.5, 60, 180, 920 мм
|
Рис.2. Вид КРТ под обтекателем РН.
Космический аппарат содержит оборудование и системы, предназначенные для обеспечения функционирования КРТ на орбите: систему управления, систему обеспечения теплового режима, энергопитания, высокоинформационный радиокомплекс и т.д.
В связи с исключительно высокими требованиями к точности отражающей поверхности КРТ, а также его уникальными размерами, исключительно важной задачей стало моделирование деформированного состояния на различных этапах функционирования.
На начальном этапе исследования был рассмотрен отдельный лепесток зеркала. Его конечно-элементная модель представлена на рис. 3. Модель состоит из 1930 элементов различного типа и содержит 1898 узлов.
Рис. 3 Конечно-элементная модель лепестка.
Расчет температурного состояния проводился в форме решения сопряженной нелинейной нестационарной задачи радиационно-кондуктивного теплообмена. При этом исходные геометрические модели узла или конструкции КРТ в целом, разработанные для структурного анализа, объединенного с тепловым расчетом, дополнялись недостающими теплофизическими и термооптическими характеристиками материалов, а также тепловыми нагрузками на конечные элементы в рамках возможностей, предоставляемых комплексом NASTRAN. Задавались температурные зависимости величин коэффициентов излучения, поглощения, теплопроводности и удельной теплоемкости материалов конструкции. Внешние тепловые потоки и внутренние тепловыделения задавались в функциональной зависимости от времени.
На рис. 4 и 5 представлены результаты расчета температурного состояния оболочки лепесткового элемента отражателя КРТ для двух вариантов материала оболочки: 1) оболочка изготовлена из углепластика и алюминиевых сот; 2) оболочка изготовлена из алюминия. Толщина алюминиевой оболочки выбиралась из условия равной жесткости с трехслойной оболочкой «углепластик – алюминиевые соты – углепластик».
Рис.4 Поле температур многослойной оболочки при освещении аппарата Солнцем снизу.
Рис. 5 Поле температур оболочки из алюминия при освещении аппарата Солнцем снизу.
Результаты моделирования, полученные для рассмотренных тепловых полей представлены на рис. 6-9.
Рис. 6 Поле перемещений, нормальных к отражающей поверхности. Многослойная оболочка.
Рис.7 Вид деформированной отражающей поверхности.
Рис.8 Поле перемещений, нормальных к отражающей поверхности. Оболочка из алюминия.
Рис.9 Вид деформированной оболочки.
В сентябре 1998 г. состоялись термовакуумные испытания двух лепестков. Они проходили в испытательном центре Европейского Космического Агентства ESTEC (г.Нордвик, Голландия). На рис. 10 представлен общий вид лепестков, расположенных в термовакуумной камере.
Полученные в ходе испытаний данные по температурным полям и температурным деформациям очень хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования эксперимента.
Рис. 10 Общий вид лепестков в термовакуумной камере перед испытаниями.
Следующим этапом исследовательских работ является моделирование теплового и деформированного состояния для конструкции КРТ в целом.
На рис. 11 представлена конечно-элементная модель КРТ. Модель состоит из 7808 элементов различного типа и содержит 5610 узлов. При ее создании с небольшими изменениями была использована модель лепестка, представленная на рис. 3. Такой подход позволил существенно сократить время на разработку данной модели а также приемственность работ студентов.
Рис. 11 Конечно-элементная модель КРТ.
На рис. 12 приведено температурное поле в переходном отсеке для варианта освещения конструкции КРТ Солнцем сбоку. Температурное состояние переходного отсека обусловлено как внешними условиями, так и внутренними тепловыделениями от специальных нагревателей. Температурные деформации переходного отсека, наряду с собственными термодеформациями лепестков, обуславливают температурные деформации отражающей поверхности КРТ.
Рис. 12 Поле температур на переходном отсеке при освещении КРТ Солнцем сбоку.
На рис. 13 представлено поле перемещений, нормальных к отражающей поверхности для рассматриваемого расчетного случая. Деформированный вид конструкции КРТ представлен на рис. 14.
Рис. 13 Поле перемещений, нормальных к отражающей поверхности.
Рис. 14 Деформированный вид КРТ.
В заключении хотелось отметить следующее. Опыт предыдущих четырех лет, в течении которых в МГТУ им. Баумана на кафедре «Космические аппараты и ракеты-носители» использовался пакет NASTRAN, дал положительные результаты. Разработана методика примененения данного современного научно-инженерного средства в процессе обучения студентов и аспирантов по специализациям кафедры. В ближайшее время предполагается расширить объем учебно-практических и лабораторных работ с использованием пакета NASTRAN.
Литература.
Усюкин В.И. Строительная механика конструкций космической техники. – М.: Машиностроение, 1988.
Залетаев В.М., Капинос Ю.В., Сургучев О.В. Расчет теплообмена космического аппарата. – М.: Машиностроение, 1979.
Зарубин В.С. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978.
Громов С.К. Некоторые вопросы температурных деформаций крупногабаритных космических конструкций // Преобразование солнечной энергии. -–М.: Наука, 1985. – С.84-99.
Thornton E.A., Paul D.B. Thermal-structural analysis of large space structures: an assesment of recent advances // Journal of Spacecraft and Rockets. – 1985. – V.22, №4. – pp. 385-393.
Лутц Д., Аллен Д., Хайслер У. Конечно-элементная модель для анализа термоупругости больших композитных космических конструкций // Аэрокосмическая техника. – 1988. – №6. – С.57-65.
Усюкин В.И., Архипов М.Ю., Котик А.Н. Моделирование тепловых деформаций панели космического радиотелескопа // Тез. докл. Международного семинара “Крупногабаритные космические конструкции”, г. Москва, 7-9 апреля 1997 г. – М.: ЦПИ РКА, 1997. – С. 16.
Усюкин В.И., Щеваев А.А., Архипов М.Ю. Динамика и температурные деформации лепестков крупногабаритных космических антенн // Тез. докл. научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», г. Санкт-Петербург, 16-17 июня 1997 г. – С.-Пб.: Изд-во Санкт-Петербургского Гос. Техн. Университета, 1997. С.305-306.
Виноградов И.С. Математическое моделирование радиационно-кондуктивного теплообмена сложных космических систем // Тез. докл. научно-технической конференции «Фундаментальные исследования в технических университетах», г. Санкт-Петербург, 16-17 июня 1997 г. – С.-Пб.: Изд-во Санкт-Петербургского Гос. Техн. Университета, 1997. С.301-302.
Усюкин В.И., Архипов М.Ю., Виноградов И.С. Компьютерное моделирование тепловых деформаций космического радиотелескопа // Сб. научных трудов I Международного семинара “Актуальные проблемы прочности”, г. Новгород, 15-18 октября 1997 г. – Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 1997. – С. 226-228.
Термомеханика лепесткового элемента конструкции КРТ / А.Н. Котик, В.И. Усюкин, И.С. Виноградов, М.Ю. Архипов // Тез. докл. XXVII Радиоастрономической конф. “Проблемы современной радиоастрономии”, г. Санкт-Петербург, 10-14 ноября 1997 г. – С.-Пб.: ИПА РАН, 1997. – Т. 3. - С. 105-106.
Компьютерное моделирование термодеформаций антенны крупногабаритного космического радиотелескопа / В.И. Усюкин, И.С. Виноградов, М.Ю. Архипов, В.Е. Бабышкин, А.С. Бирюков и др. // Тез. докл. Международной научной конф. “Ракетно-космическая техника: фундаментальные проблемы механики и теплообмена”, г. Москва, 10-12 ноября 1998 г. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998. – С. 22.
UAI/NASTRAN. Advanced Finite Element System for Structural Analysis and Design. Version 20. User’s Reference Manual. – Universal Analytics, Inc., 1997.
UAI/NASTRAN. Advanced Finite Element System for Structural Analysis and Design. Version 20. User’s Guide. – Universal Analytics, Inc., 1997.
|
