Transcript ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева FSUE Khrunichev State Research and Production Center С.

ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
С. А. Петроковский, А. Г. Бахтин, В. П. Полиновский
Применение программ MSC.Software для создания
расчетных моделей космического аппарата «КАЗСАТ»
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
1
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Цели и задачи разработки конечно-элементных моделей
Задачи проектировочных расчетов:
- определение нагрузок на комплектующие, в том числе БРТК (при расчете
объединенных моделей РН и КА);
- минимизация массы при достаточной общей прочности и несущей
способности;
- обеспечение требуемых собственных частот КА «КАЗСАТ» с верхним КА и
навесного оборудования КА «КАЗСАТ» (продольная частота больше 25 Гц,
поперечная больше 15 Гц);
- ограничение тепловых деформаций на орбите;
- обеспечение требуемого уровня амплитуд микровибраций на орбите;
- обеспечение местной прочности панелей в местах установки приборов.
Задачи обеспечения проведения испытаний:
- моделирование испытаний на центрифуге для сравнения испытательного
уровня нагрузок на комплектующие с расчетными уровнями;
- моделирование тепловых деформаций при тепловакуумных испытаниях;
- моделирование динамических испытаний с целью определения
испытательных уровней нагружения.
Задачи поверочных расчетов:
- определение уточненных нагрузок на КА в целом и на комплектующие КА
(анализ связанных нагрузок – АСН);
- определение запасов общей прочности и несущей способности;
- определение запасов прочности мест крепления приборов к панелям и
панелей к каркасу.
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
2
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Общий вид КА «КАЗСАТ»
Уточненная расчетная модель КА «КАЗСАТ»
В модели более 50000 элементов и более 40000 узлов.
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
3
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Структура расчетной модели космического аппарата КАЗСАТ
Расчетная модель КА КАЗСАТ
Модель силового каркаса
Разработчик К. Л. Ильиных
Модели приборов служебного борта
Модели
блоков
аппаратуры
Модель
солнечной
батареи
Разработчики
А. И. Мощенко
С. М. Ротанин
Модели приборов полезной нагрузки
Модель приборной
панели полезной
нагрузки
Модель
зональной
антенны
Разработчик
фирма ALS
Разработчик
фирма ALS
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
4
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Геометрическая и КЭ модели панели служебного борта
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
5
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Расчетная модель
зональной антенны
разработана фирмой ALS
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
6
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Моделирование профилей каркаса и болтов крепления панелей.
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
7
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Расчеты запасов прочности каркаса КА «КАЗСАТ»
1400
1204
Нагрузка, Н
1200
1000
990
800
600
400
200
0
0
0,2 0,4 0,6 0,8
1 1,2 1,4 1,6 1,8
Деформация, мм
2
2,2 2,4 2
Определение допустимых нагрузок на точки крепления
приборов к панелям и панелей к каркасу
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
8
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Расчеты запасов прочности каркаса КА «КАЗСАТ»
Распределение эквивалентных напряжений в несущих слоях
трехслойных панелей КА «КАЗСАТ» (Па).
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
9
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Формальные проверки уточненной модели КА «КАЗСАТ»
Матрица масс
Матрица жесткости
Способ
проверки
Сравнение диагональных
элементов матрицы масс
твердого тела
Анализ частот колебаний
модели как твердого тела
Расчет энергии
деформации модели при ее
смещениях как твердого
тела
Должно быть
Различие между
диагональными
элементами матрицы масс
твердого тела не должно
превышать 0.01%
6 первых собственных частот
должны быть меньше 1×10-4,
остальные частоты должны быть
примерно в 1000 раз больше;
Энергия деформирования
модели при ее смещении
как твердого тела должна
быть меньше 1 Дж.
Результат
проверки для
модели КА
«КАЗСАТ»
Диагональные элементы
матрицы масс совпали с
точностью до 6 знаков
Первые 6 частот колебаний
незакрепленной модели КА
«КАЗСАТ» не превысили 6×10-5 Гц,
тогда как величина 7-ой упругой
частоты составляла 23.8 Гц (для
незакрепленной модели). Упругие
частоты больше частот колебания
конструкции как твердого тела в
~1.0Е6 раз.
Величина ложной энергии
деформации для
рассматриваемой модели
КА не превысила
3.0Е-5Дж
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
10
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Проверка полноты КЭ динамической модели КА «КАЗСАТ»
Форма колебаний КА «КАЗСАТ» (18.4 Гц)
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
11
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Сравнение различных моделей КА «КАЗСАТ»
и модели КА «Монитор-Э» с точки зрения их полноты.
Модель
КА «Монитор-Э»
Предварительная
КА «КАЗСАТ»
Уточненная
КА «КАЗСАТ»
Количество элементов
>6000
>20000
>50000
Количество узлов
>6000
>19000
>40000
Количество форм
колебаний в диапазоне
до 100 Гц
37
60
370
300 – 400
Сумма эффективных
масс тонов колебаний в
диапазоне до 100Гц, по
направлениям, в % от
массы твердого тела
TX: 75 %
TY: 77 %
TZ: 80 %
RX: 82 %
RY: 91 %
RZ: 94 %
TX: 84 %
TY: 87 %
TZ: 85 %
RX: 83 %
RY: 92 %
RZ: 88 %
TX: 85 %
TY: 93 %
TZ: 92 %
RX: 89 %
RY: 98 %
RZ: 97 %
TX: >90 %
TY: >90 %
TZ: >90 %
RX: >90 %
RY: >90 %
RZ: >90 %
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
Иностранные
КА
12
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Сравнение результатов расчетов с результатами динамических испытаний КА «КАЗСАТ»
Сравнение результатов расчетов с экспериментом
проводилось следующим образом:
- в модели были сформированы узлы,
соответствующие датчикам перегрузок на стендовом
изделии;
- экспериментально был записан переходный процесс
колебаний основания адаптера КА;
- была решена задача расчета переходного процесса
синусоидальных колебаний модели КА на адаптере
от возбуждения его основания записанным ранее
процессом;
- были построены амплитудные спектры для
рассчитанных переходных процессов в узлах,
соответствующих датчикам ускорений и для
переходных процессов зафиксированных датчиками
при эксперименте;
- по полученным графикам амплитудных спектров
были определены экспериментальные и расчетные
резонансные частоты.
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
13
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Сравнение частот собственных колебаний КА «КАЗСАТ»
рассчитанных по уточненной модели и измеренных экспериментально
Частота, Гц
Форма
Погрешность,
%
Описание тона колебаний
Эксперимент
Расчет
1
17.7
18.4
4%
Первый тон колебаний панели
служебного борта
2
18.8
18.4
2%
Кронштейн гироастроблока
3
23.4
23.5
<1%
1 тон упругих колебаний в
поперечном направлении по оси Y
4
26.4
26.3
<1%
Второй тон колебаний панели
служебного борта
5
43
42
2%
Панель БРТК
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
14
ФГУП Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева
FSUE Khrunichev State Research and Production Center
Сравнение амплитудных спектров,
полученных по результатам расчетов и эксперимента
(сравнение проведено А. В. Ермолаевым).
IX Российская конференция пользователей систем MSC.Software
Москва 25-26 октября 2006года
15