Анализ динамического нагружения конструкций сложной конструктивно-компоновочной схемы при переходных процессах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Государственный комитет Российской Федерации .

по высшему образованию Московский ордена Трудового Красного Знамени физико-технический институт

На правах руке,шеи Сидоров Владимир Владимирович

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ СЛОЖНОЙ КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

01.02.04 Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

Раоота выполнена в ЦНИИМАШ и в МФТИ

Научный.руководитель диктор технических наук, профессор Лиходед А.И.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Кукудланор Р.Н. Доктор технических наук Фельдштейн В.А.

Ведущая организация Конструкторское Бюро

специализированного совета К-ОбЯ.еьОЬ при Мое конском фиэихо-те.чьич^лом институт»*, г. Долгопрудный

С диссертацией можно ознакомиться в ^иоли^тек^ Московского ФИШКО* ТЕХНИЧЕСКОГО института

Автор рерат разослан к. з^

Ученый секретарь специализированного совета ^зд'дияят технических >пук Смолякоч К.!'.

"I

'САЛЮТ", г.Москва

Защита состоится

2 7. (2.34

на васеданйи

-3-

0Б1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Многие современные конструкции аэрокосмической техники представляют собой пространственные механические системы сложной конструктивно-компоновочной схемы. При этом отдельные части систем обладают существенно раэличными упругими и диссипптивными характеристиками. К' конструкциям подобного рода мокко отнести ракеты-носители и орбитальные космические станции.

Максимальный уровень нагрузок, действующих на элементу и угли этих конструкций, часто реализуется при переходных процессах, имеющим место при их эксплуатации. Процессы такого рода, характеризующиеся мгновенным изменением механических характеристик изделия , речкой сменой внешнего силового и импульсного нагрухения, происходят при старте, стыковках , разделении ступеней ракет-носителей, и таске при различных нештатных ситуациях. Данная модель может бытъ исполъаоват также для описнния ряда процессор нагр\'*ен)"Я других конструкций машиностроения.

К расчету /инамических нагрузок конструкций ракетно-космической техники э этих сл^аях пред'являются повышенные требования иа-ча того, что их экспериментальная проверка на стадии проектирования практически невозможна. Поэтому наличие программных средств, позволяющих проредить параллельные вычисления по рагличньм моделям явгяется необходимым условием для исключения грувнч просчетов при проектировании.

Целью настоящей работч является разработка методики, алгоритма и программы расчета динамического нагрухени конструкций, при внешних силовых яоэлействиям и кинематическом яовбук-дечии с учетом переходник процессов на основе прямого интегрирования ураг-.ч^н"! дрияени* по времени.

Научная нопуэнл ланкой работы состоит в том, что в ней била разработана математическая моделъ и соответствующие алго-ритмч учета 1иссипатиг»ннх свойств системы при использовании метола конечных элементов Для ее моделирования, позволяювде оо^с-печить произвольную зависимость декрементов колебаний от частоты и уровней иагружения элемента, а также существенно различные уровни диссипации в разных частях конструкции. Модель основана на исполъеовании гипотезы гистерезиса внутренних усилий в конечных элементах, н» которые разбита конструкция.

Проведена модификация метода идентификации параметров систему (метода Прони). позволившая существенно улучшить точность '* устойчивого к помехам, что поя юлило оо^счочить возможность корректных оценок реялияуемчу декременточ колебаний конструкции в целом в широком диапазоне изменения числа шагов интегрирования за период колебаний.

Разработана численная программа для реиения палач нагру->екия при одновременном силовом и кинематическом возбуждении,с учетом возможности мгновенного изменения ^есткостныч. инерционных характеристик конструкции и импульсных воздействий.

Практическая ценность работы еамючается в том, что . на основе предлагаемой в ней методики был разработан алгоритм и программный комплекс для решения «адач о динамическом нагруже-нии конструкций сложной компоновочной схемы, позволяющий описать ш.-.рокий класс иэделий ракетно-космической техники. С его исполют-анием были проведены расчеты нагрузок ряда конструкций а^рокосмической техники и других отраслей машиностроения. Для станции "Мир" били определены нагрузки, действующие на ее узлн и элементы при различных вариантах стыковок, для индийской ра-кчтн- носителя (ЗБ'.У - пои старт«, плн самоходного |х^0"т>-технк-

-г-

ческого комплекса при сОросе с вертолета и наезде на препятствие, для циркуляционного трубопровода АЭС - при сейсмическом

ВОЗДЕЙСТВИИ.

Апробация работы. Результаты, полученные в работе, догаа-лнвагись и обоуулалисъ на конференциях молодых ученых МФТИ ()■'>-">, г.,Лолгопруянгй), я а конкуренции молол их специалис-

тов ЦНИИМЛШ (1(-'йоГ)) на отраслевой конкуренции по нагрузкам (1ЗД1, г. Калининград), на международной молодежной научно-технической конференции "Космонавтика-XXI век" (1991, Москва-Кали-иинград).

СОДКИМНИЕ НАБОТЫ

Рэоота состоит из введения, четырех глав и заключения, (Лисок литирэтурч включает 76 награний.

Но введении дается краткий оОаор .дчтёрлтурн, посвященной расчету динамических нагрувок и методам прямого интегрирования уравнений конечгсял"ментной модели конструкции. Здесь

т.чкле описывается структура диссертации.

В первой главе рачработана столика моделирования вадачи определения динамически* нагругок конструкции при переходных процессах, Для моделирования конструкции применяется метод конечных элементов. При этом конструкция представляется а вид" пространственней ГТер.*Н°Г.ОЙ модели о дискретными включениями и свя?я*и. Стерзч'и имеют кусочно-постоя ннн» по длин!» механические характеристики. На крячч стержней могут онть реализованы проич-рояьни" усиояич. Для чиск^^тияйции системи разработа-

на ч""ментов, которая позволяет имитировать

упругие опоры, ь тем числе и обладайте нелинейными характеристиками, ф*?рменнме конструкции, м'-хлнически^ »лаяоги оболочек, рааличное навесное оборудование, а так«» произвольные упруги* связи, соединявшие мезду собой блоки конструкции.

Разработанная методика позволяет учесть широкий спектр внешних нагрузок силового и импульсного характера, таких как:

- сосредоточенно» ровдействие р у?.ло конструкции,

- рнешиее роздемстви», распределенное по нескольким стержням

пакета,

- инерционная нагрузка на конструкцию н целом,

- сила, нелинейно зависящая от перемещения в "аданноч у*ле.

Наэраоотаннаи математическая модель переходного процлсса П0сЧ10ляег имитировать такие процессы нагружения. как старт, стыковка, разделение блоков, соул-ар*.ьие с препятствием, импульсное воздействие на конструкции. Нее яти процессы описыраются мгновенным изменением механических характеристик конструкции, моделируклдемер пересчетом матриц масс, жесткости и демпфирования, и скоростей, для определения скачков которых выведено соотношение с учетом внешнего импульсного яовдействия.

Во второй главе предлагается методика прямого численного иктегрирокачия уравнений движения конечноэлемектной модели упругой конструкции. Основное внимание уделено выбору апгоритмое, минимизирующих затраты вычислительных ресурсов оер ущерба для точности расчета.

Р апгоригме предусмотрена воемохность применения грои?-вольннч неяЕннх ыетодоз. Выбор неявных схем свяган с необходимостью обеспечения устойчивости счета при переменном таг- интегрирования. В качестве базового используется трехэатрый не-ярчмй метод второго порядка точности, разработанный Парком. Ок оОла,дает оптича»ънкми характ^оис!иками по числе'1"''1!"' и

уходу частотч. Ь качеств» раэгона на первых шагах примкнем од-ношаговый метод трапеций второго порядка точности.

Алгоритм построен так, что шаг интегрирования по времени вмоиря^тся исходя ил задай.юи точности. На ряде

т»»г тпрнх ?ччнч опред-л^ны характеристики алгоритм« упра ч^ния шагом интегрирования, поздолнющие минкмивирорать пычиелкт^льнне аатиаты.

Дли решения яадач о п/егеанном силором и кинематическом нагружении С>ыла раяраГгагаиа схема руления, н осноке которой лежит ра&р- т:ьное ьыч:1слен:'° соотп^тструтчих подсекторов нектора обочтенных перемещений. При этом структура представления исходной информации не требует сколь-ниоудь значительных изменений по сравнено) с обычной задачей о чисто силовом нагружении.

В третьей г.чаяе ра?раГгатан метод учета диссипатиьных сройсть конструкции, оснсьанн^й на гипотеае гистерезиса хнут-р- 'них усилий. При таком подход» имеется возможность еадани? г'роиярс."ьиой яависимости демпфирующих свойств от частоты, рая-маха и среднего циклов нагружения элементов конструкции. Кроме • того, такой подход позволяет описать различны» уровни - диссипации в разных частях конструкции и не исключает когмомооти дополнительно эадемп^ировать высокочастотные состаьляющи^ решения с тюмодаю Ралеевского ( пропорционального ) демпфирования, ''""от метод лишен многих недостатков, которыми обляда-от традиционно используемые при прямом интегрировании уравнений движения способы < «та диссипативиых характеристик.

Гистерееисннй подход осюннвается на моделировании диоси- ■ нации а кан.лом конечном элементе с помощью силы демпфирования, строящейся в виде ряда по ненулермм соб^тченнмм ректорам матрицы жесткости этого ялемелта. При этом движение конечного элемента, как жесткого целого чч демпфируете)».

Выли получены соотношения, определяющие вавиоимость ко?<£-фициентов этого ряда от треОуемого уровня диссипации, х^сткост-ных характеристик и вектора обобщенных перемещений дачного конечного элемента. При этом рассматривался равличнчй вид петель гистерезиса внутренних усилий, определяющих характер диссипации.

При различиях переходных процесс?* частотный диапазон возбуждаемых тонов упругой конструкции может Сжть весьма широк, а отношение периода высокочастотных составляющих к тагу интегрирования по времени невелико. Поэтому была проведена корректировка выведенных формул, учитывающая конечную величину шага. Тестирование проводилось на различных модельных задачах в широком диапазоне шагов интегрирования по времени. Результаты показали хорошее ( в пределах 10% ) совпадение Фактически наблюдаемых декрементов затухания с еадавяемнми.

Для отработки предложенного м< -ода учета диссипации необходимо проводить оценки декрементов процессов, в том числе при малом количестве шагов на период колебаний. Для зтого был разработан метод идентификации параметров процессор во временной области, исполь8уювдй модификацию метода Прони.

Стандартный метод Брони разработан для интерполяции временной зависимости рядом затухающих акспон-нт. В нем используется минимизация ошибки линейного предсказания с "мощью метода наименьших квадратов. Суть модификации заключается в вид 7еНии ив неизвестных коэффициентов линейного ревностного уравнения, описывающего огаиб!*у предсказания известной главной части, являющейся биномиальным коэффициентом. В результате, как показали тестовые расчеты, резко повышается устойчивость алгоритма к ошибкам округления, наличию тренда и, частично, к шумам. Проверка на многочастотпых моделях показала высокую точность

о

! !-(■>/!) определения частот и логарифмических декрементов ^птукя-ния состаачятих врруенных зависимостей.

В четвертой глав«? дало описание разработанного г'рсграмм-ного комплекса, излагаются приемы программирования, позволившие существенно сократить ресурсы &ВМ, требуемые при г^ати^ации алгоритма расчета динамического нагруженил конструкций при переходных процессах. Программный комплекс реализовал я системе (А5-!ЮЗ на ягнке ТигЬо-Раяса! для {Гда'М типа 1ЬМ РС/ЛТ-гЬв. Приводятся результаты расчетов, проведенных с помотю ^того алгоритма.

С п^м^мо разработанного ачгоритмя проводился расчет наг-руления србитапьней станции "Мир" . при стыковках с кораблями "Прогресс" у "«¡дюз". Данные расчеты бкли сделаны в рамках работ по определению ресурса узлов и агрегатов станции в обоснование возможности продления эксплуатации до

Насматривались различные варианты комплектации станции. При расчетах связка корабль-стаымя моделировалась набором из 6-ми стержней с "усочио-постоянными по длине механическими характеристиками, соединенных упругими связями, Навесное ооорудо-вание и силовые шпангоуты имитировались 9-ю сосредоточенными твердыми телами. Батареи представлялись набором из 14- и обобщенных осцилляторов, отражавших динамические свойства батарьл в диапазоне частот О.1-4 Гц. Конечноэлементная модель конструкции состояла и а 92-х элементов равличньи типов. Диссипативные свойства конструкции соответствовали логарифмическому декременту колебаний <?'0.1.

Были рассчитаны перегрузки и внутренние силовые факторы во всех сечениях станции. Результаты расчетов сравнивались с данными, -полученными с помощью программного комплекса, исполъ-вуквдего метод разложения по формам колебаний. Сравнение локава- ,

V "лл ТоЛ '0

-

ло, что результаты по пиковым знач-чиям нагрузок отличаются не более, чем на Ы.

Расчет нагружения индийской ракеты-носителя СК1У, предназначенной для вывода спутника на геостационарную орбиту проводился в рамтах работ по научно-технической экспертизе отработки прочности российского разгонного блока. Конструкция (ЗЗЬУ моделировалась пакетом иэ 6-ти стержней, соединенных упругими связями.

При моделировании процесса старта считалось, что конструкция ракеты-носителя находится вначале в состоянии равновесия под действием силы тяжести, ветровой нагрузки, а также сил тяг четырех жидкостных ускорителей, вышедших на номинаяънне значения, поскольку предварительные расчеты показали, что перегрузки, вызванные выходом ускорителей на номинальный реким малы.

Внешние нагр"зки уравновешиг. лтся реакциями в системе удержания. Снятие системы удержания моделировалось мгновенным обнулением матрицы жесткости элемента^ имитирующего эту систе-

Макснмалькые поперечные перегрузки составили: для носовой части обтекателя - 4.2в, для верхней части спутника - У.4£, для центра масс спутника <• ? Зет. Лолученные^сшш^

что .выданные Индийской стороной ^нагрузки, на >■ азгониый блок

Расчеты нагрузок на самоходный робототехнический комплекс РТК-100, предназначенный для изучения состояния АЬО при авариях с помощью диагностической аппаратуры, установленной на нем, а также для расчистки зоны работ, осуществлялись с целью обоснования режимов нагружении аппаратура, испытательных режимов конструкции и установления ограничений на условия эксплуатации.

му.

в случае "Старт" сильно ганихены.

-•м-

Бнл проврде-н расчет нагрузок в двух случаях эксплуатации - при сбросе РТК-100 в'-ртолетом на об'»кт и при наезде отвалом на препятствие. В первом случае рассматривалось сбрасывание РТК с высоты О.Рм на рее шесть колес. При моделировании работы торсионной подвески колеи* учитывался »е ьнход на утторн, имитирующийся рядом переходных процессов, при которых возникает интенсивное динамическое нагруление конструкции.- Были рассчитаны перегрузки н различных мест,ах приборного контейнера и рамы шасси. Максимальная перегрузка в приборном контейнере достигала 8.5^.

Рыли рассмотрены два варианта наеадя отвалом на препятствие - прямой и боковой. Лля этих случаев эксплуатации рассчитаны суммарные перегрузки левой и правой оозорныч телекамер РТК и их максимчльну.» угловые синения телекамер, которые, как показали расчеты, не превосходят 3-Ю"*- рад.

lio запросу ОКБ "Ридропресс" с помощью разработанной программы был проведен расчет н^гру^ок при сейсмическом воодейсп-ии на главным циркуляционный трубопровод реакторной установки H-4U-Í.

При расч^t-jx петля главного циркуляционного трубопровода моделировалась с почопыо 15-ти стержней, с*оедииениих упругими '■вявями. Рыли учтены местные кесткости оболочки парогенератора в мостах присоединения патрубков горячего и холодного коллекторов и набор трубок, связквамцих коллекторы и находящихся внутри парогенератора. Конечн'т'лементная модель конструкции состояла из VO элементов различных типов. Диссигативные характеристики соответствовали логарифмическому декременту колебаний 5-0.1.

Уыл пров-л^ч расчет динамического нагрукения конструкции гри сеио'ич^сс^м воздействии. Были рассчитаны внутренние силовые факторы в наиболее ответственных узлах конструкции - в стыках гоочч^гп i; холодного трубопроводов с реакторов, в местах-

"г-

крепления патру'Окоа к парогенератору ,в стыке тругопровода холодной воды с главным циркуляционным насосом.

Для контроля сгенерированное матрица жесткости и масс конструкции исполъаораяись при ачачи»* динамических характеристик с метода итерации подпространств. Результаты покарали хороп'^е совпадение в оемастк низших частот с данными, полученными при расчете с помощью дискретно-массовой модели в окв "Гидропресс".

Основные результаты и вмгадн.

1. Раг-^аСотана методика моделирования упругих конструкций сложной1 конструктивно-компоновочной схемы и внешних воздействии си-лоного и импульсного характера.

Я. Разработана математическая модель переходного процесса, характеризующегося мгновенным ивменением жесткостннх и инерционных характеристик системы, а также имрулвенчм воздействием на конструкцию. Эта моделв поаво.пила учесть болмлол число р^ялвнчх процессов, таких как старт, стыков!«, соударение, ряядрл^ние блоков чонструкглй различинх отраслей мэшино'трс^мия.

3. Разработана методика численного резания уравнений движения кокечно-нлементной модели упругой конструкции, основанная на прямом интегрировании уравнений с применение произвольного неявного метода, с автоматическим выбором шага интегрирования п'> времени в зависимости от требуемой точности. Предложен и реализован метод контроля устойчивости счета, осчс?аннь:и на соълпд"-нии баланса энергии на шаге интегрирования.

4. Разработан ачгоритм расчета нагрузок конструкции при кинематическом и смешанном силовом и кинематическом воздействии.

б. Разработан метод учета диссипативных свойств конструкции, испольвукщий ' гипотеву гистерезиса жесткости и внутренних усилий, что дает возможность гадания проиввольной зависимости демпфирования от частоты, размаха и среднего циклов нагружения, а такте описания различиях уровней диссипации в разних частях системы. РаяррОотан метол идентификации параметров римстемн, у.спольаующий модифицированный подход Прони, которчй был применен при отработк® алгоритмов учета диссипации.

6.В системе Turbo-Pascal IPM PC/AT реализован алгоритм расчета динамических нагрузок упругих конструкций при переходных процессах, с использованием которого проводились расчеты для различных конструкций ракетно-космической техники и иного хозяйственного назначения.

7. Определены нагрузки, яействумцие на узлч и элементы станции "Мир" при ее стмкоеках с кораблями "Прогресс" и "Союз". Определены нагрузки на конструкцию разгонного блока и спутника при старте индийской ракеты-носителя QSLV. Рассчитаны нагрузки в наиболее ответственных узлах главного циркуляционного трубопровода реакторной установки АЭС при сейсмическом воздействии. Проведенн расчеты нагрухения различных элементов конструкции ' подвижного робото-техничеокого комплекта РТК-100 при его наегде на препятствие и транспортировке вертолетом.

м-

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах автора:

- Введенский Н.Ю., Сидоров В.В. Исследование переходных динамических процессов методом конечных элементов с использованием формул прямого мнтегрирорания. РНТ, сер.Я, вып.9, ЦНТИ "ПОИСК"; 1987, С.18-21.

- Сидоров В.В. Определение нагрузок, дейстлугвдх на конструкцию пакетного типа, при переходнях процессах с помотомо метода прямого интегрирования. В сб. Некоторые вопросы прочности и динамики конструкций. ЦНТИ "Поиск". 1989, с.йн-90.

- Сидоров В.В. и др. Определение нагрузок на конструкцию РТК при переходных режимах эксплуатации.

В сб. Проблемы проектирования подвижных робото-технических комплексов. АН СССР. Госкомитет РСФСР по экологии и природопользованию. ИФТП. Москва, 1991, с.42-53.

- Сидоров В.В. и др. Вероятностный и детерминированный подход к расчету нагружения сложных пространственных систем с ие-полг яованием механических аналогов.

В сб. Молодежная научно-техническая конференция "Космонавтика - XXi век". Москва-Калининград. 1991. с. 16.

ГАТТИ Z2.H.S4 ЗАЬАЗ А/'/гаг ТМР.