Содержание к диссертации
Введение
1. Методы численного моделирования динамики космических систем, содержащих приводные Устройства 16
1.1. Обзор методов динамических расчетов конструкций космического назначения 16
1.2. Особенности численного моделирования приводов для космических аппаратов и формирование требований к моделям 20
1.3. Постановка и методы решения задач динамики космического аппарата с приводными устройствами 22
1.3.1. Основные уравнения 22
1.3.2. Определение собственных частот и форм колебаний 26
1.3.3. Решение уравнений движения 28
1.4. Применение метода суперэлементов для разработки единой модели привода в составе 30
1.5. Учет в модели привода внешних подсистем на основе метода динамического синтеза подконструкций 39
1.6. Специальные приемы построения конечно-элементной модели привода в составе КА41
2. Разработка динамической модели трехкомпонентного привода СБ 45
2.1. Конструктивные особенности привода СБ 45
2.2. Анализ нагрузок, действующих на блок приводов СБ на различных этапах жизненного цикла 51
2.3. Суперэлементная модель блока приводов СБ 53
2.4. Конечно-элементная модель привода 58
2.5. Присоединение к модели КА внешних подсистем с использованием матриц влияния. Характеристики полной модели 64
3. Верификационные динамические расчеты 67
3.1. Цели и методология верификации динамической модели электропривода в составе гибкой системы 67
3.2. Собственные частоты модели блока приводов и отдельных подсистем 69
3.3. Определение средних скоростей движения характерных точе МКС 74
3.4. Сравнение нагрузок на привода с результатами по программе NASTRAN 77
3.5. Сравнение скоростей вращения элементов приводов с аналитическим решением 82
4. Определение динамических нагрузок на блок приводов СБ 84
4.1. Динамические нагрузки на блок приводов при транспортировке 84
4.2. Динамические нагрузки на блок приводов на этапе выведения 98
4.3. Динамика блока приводов на этапе функционирования 106
4.4. Учет нелинейной характеристики магнитной муфты при определении нагрузок на привод 117
Заключение 123
Литература 126
Приложение а. результаты решения верификационных задач 132
- Особенности численного моделирования приводов для космических аппаратов и формирование требований к моделям
- Анализ нагрузок, действующих на блок приводов СБ на различных этапах жизненного цикла
- Собственные частоты модели блока приводов и отдельных подсистем
- Динамические нагрузки на блок приводов на этапе выведения
Введение к работе
При проектировании приводов возникает необходимость определения нагрузок, действующих на всех этапах жизненного цикла изделия, в том числе в процессе функционирования в составе сложных электромеханических систем. Достоверное определение нагрузок в элементах привода на этапе его проектирования и создания является актуальной задачей, так как позволяет—сформулировать требования к - приводу, обеспечивающие необходимый уровень управляющих воздействий, а также надежность и долговечность механической части привода при минимальных затратах.
Современный привод является органической частью общей конструкции и образует с приводимым в движение механизмом единую электромеханическую систему[30], электрическая часть которой состоит из электродвигателя и системы управления, а механическая включает в себя все связанные движущиеся элементы привода и конструкции. Поэтому для определения нагрузок на этапе его штатной эксплуатации необходимо рассмотреть конструкцию с электроприводом как единый динамический объект, с учетом всех действующих в системе сил.
Осуществление такого совместного рассмотрения, например на основе метода конечных элементов, особенно актуально для приводов, входящих в состав таких сложных систем, какими являются конструкции космического назначения - искусственные спутники Земли, космические станции. Их отличают . большие размеры, невозможность полной наземной экспериментальной отработки, длительный жизненный цикл и большое количество его этапов, существенно отличающихся по характеру нагрузок. С другой стороны к ним предъявляются высокие требования по прочности, надежности, уровню создаваемых возмущений и другим параметрам.
Одним из ключевых вопросов при проектировании КА является создание автономных систем электропитания, включающих в себя солнечные батареи (СБ) и систему ориентации солнечных батарей (СОСБ). Ориентация СБ относительно Солнца имеет определяющее значение для эффективности их использования. Первая СОСБ была разработана в НЛП ВНИИЭМ и установлена в 1965г. на Искусственном спутнике Земли «Метеор». Позднее НПП ВНИИЭМ разрабатывал СОСБ для спутников собственной конструкции и разработанных НПП им. Лавочкина и РКК «Энергия».
Наличие в космическом аппарате приводных устройств определяет необходимость решения целого ряда динамических задач, таких как: определение нагрузок на элементы конструкции привода с целью обеспечения их достаточной прочности; обеспечение динамической точности КА при действии возмущений, создаваемых приводами; снижение уровней виброактивности и акустического шума отдельных конструктивных элементов и др.
Большой вклад в создание и совершенствование методов проектирования и математического моделирования электроприводов для космических аппаратов внесли специалисты РКК «Энергия», НПО им. С.А.Лавочкина, НПП ВНИИЭМ и других организаций. На основе выполненных ими исследований создавались приводные устройства для нескольких поколений космических аппаратов.
Созданию и совершенствованию методов проектирования и математического моделирования космических аппаратов посвящены работы российских и иностранных ученых Аминова В.Р., Бранеца В.Н., Горшкова А.И., Легостаева В.П., Малаховского Б.Е., Позняка Э.Л., Чертока Б.Е., Шуляки А.А., Клайна К.А., Раджерома.С. и др. [5,6,24,36,37,52].
Разработке и созданию электроприводов для систем ориентации солнечных батарей, а также моделированию систем управления посвящены работы Авербуха В.Я., Беленького А.Д., Васильева В.Н., Вейнберга Д.М., Верещагина В.П., Данилова-Нитусова А.Н., Мирошника О.М.,
Куриловича В.П., Попова К.К., Стомы С.А., Шереметьевского Н.Н. и др. [1,2,3,13,14,38,45,46,51,53].
Вопросы создания аппаратуры для малых спутников Земли освещены в работах Горбунова А.В., Трифонова Ю.В. [47,48].
Применение экспериментальных методов для определения возмущений, создаваемых приводами представлены в работах Авербуха В.Я., Данилова-НитусоваА.Н. [3].
Сложность, а в некоторых случаях изменяемость конструкции космических аппаратов (КА), а также повышение требований к расчетам в части учета нагрузок определили переход от аналитических и полуаналитических математических моделей для исследования динамики КА [4,24,50], к использованию современных численных методов, наиболее универсальным и развитым из которых, является в настоящее время метод конечных элементов (МКЭ)[ 12,20,25,26,44].
Однако даже в рамках МКЭ модели КА в зависимости от поставленных целей весьма сильно отличаются по размерности, типам используемых элементов, типам нагрузок и т.д. Каждая из этих проблем в свою очередь требует решения более частных задач, например, подтверждение требований к приводу в части механических нагрузок приводит к рассмотрению динамики КА под действием различных внешних нагрузок, возникающих при стыковке, транспортировке, внекорабельной деятельности космонавтов. Для решения каждой задачи составляется, как правило, своя конечно-элементная модель. Такие узконаправленные модели имеют ряд преимуществ, прежде всего, минимально-необходимая размерность задачи, однако в настоящее время в связи с ростом производительности персональных компьютеров этот критерий становится все менее значимым.
Кроме того, необходимо обратить внимание на возрастающую потребность в создании универсальных моделей, используемых при решении рассматриваемых задач. Это связано с тем, что анализ динамического состояния современных космических систем относится к классу задач, решение которых, даже с применением современных средств, может быть выполнено лишь при комплексном участии больших коллективов, каждый из которых решает частную задачу: определение нагрузок, расчет прочности, динамики для разрабатываемого им изделия. Практический опыт ведения подобных проектов показывает, что значительные затраты времени и средств приходятся на координационную деятельность, связанную с распределением работ, передачей промежуточных данных между соисполнителями проекта. Особые трудности возникают при установлении общей технической терминологии и вообще, доступного языка между соисполнителями. Это касается и разработки общей математической модели системы, которая была бы восприимчива ко всему комплексу разнородных по их физической сути исходных данных.
Для создания эффективных конечно-элементных моделей сложных конструкций применяются такие модификации МКЭ как метод суперэлементов (МСЭ) [11,15,17,19,32,41] и метод динамического синтеза подконструкций (метод Крейга-Бемптона)[31]. Идеи использования МКЭ в расчетах механизмов с учетом больших перемещений изложены в [7,33,34]. Расчет электромагнитных полей в элементах электромеханических систем с применением МКЭ рассмотрен в [22].
Однако используемые в литературе подходы и методы не могут быть в полной мере применены для моделирования привода в составе КА, так как они не учитывают взаимодействия привода с элементами КА.
Поэтому в целом задача создания единой модели привода в составе космической конструкции потребовала самостоятельной постановки и методов и средств моделирования. Для ее решения проанализирован целый комплекс вопросов, связанных, с одной стороны, - с созданием надежных математических моделей таких сложных структур, каковыми являются современные гибкие КА, а с другой, - с разработкой методов и средств моделирования реальных приводных устройств.
Международная космическая станция (МКС) является одним из самых сложных и масштабных современных космических проектов.
Строительство станции началось с запуска на орбиту ракетой-носителем "ПРОТОН" функционально-грузового блока "ЗАРЯ", сделанного в России. Вторым доставлен кораблем "ШАТТЛ" и состыкован с функционально-грузовым блоком американский стыковочный модуль NODE-1. Третьим выведен российский обитаемый служебный модуль "ЗВЕЗДА", который обеспечивает управление станцией, жизнеобеспечение экипажа, ориентацию станции и коррекцию орбиты. Четвертым - американский лабораторный модуль "Дестини". Затем параллельно доставляются элементы российского и американского сегментов.
Модули «Звезда» и «Заря» оснащены созданными в НПП ВНИИЭМ системами ориентации солнечных батарей (СОСБ). Одним из проектируемых модулей, входящих в состав российского сегмента МКС (рис.1) является научно-энергетическая платформа (НЭП), на которой будут размещены солнечные батареи (СБ) большой площади, которые станут основным источником энергии российского сегмента. Для ориентации СБ в пространстве предназначен разработанный в НПП ВНИИЭМ блоком приводов СБ.
В процессе выведения на орбиту, монтажа и на различных этапах функционирования на привод действуют механические нагрузки, возникающие от различных факторов, в том числе, от работы двигателей, внекорабельной деятельности космонавтов, причаливания орбитальных кораблей - «Союз» или «Шаттл». Для каждой из этих нагрузок необходимо решить ряд задач, в том числе по определению параметров движения и нагрузок на элементы блока приводов.
Рис. 1. Российский сегмент МКС.
Для определения механических нагрузок на все элементы конструкции блока приводов СБ необходимо создать единую модель конструкции блока приводов с вращающимися приводами, соединенной с солнечными батареями и научно-энергетической платформой, а через нее и с другими модулями МКС.
Основной целью работы являлось развитие методов математического моделирования динамики электромеханических систем и их применение для проектирования приводов солнечных батарей (СБ) с учетом внешних воздействий и взаимодействия привода с другими элементами системы на основных этапах жизненного цикла приводов - транспортировки, выведения на орбиту, орбитальном полете в составе КА.
Для достижения указанной цели поставлены и решаются следующие задачи:
1. Разработка алгоритма построения математических моделей приводных устройств в составе сложных электромеханических систем для определения динамических нагрузок и параметров движения системы на различных этапах жизненного цикла.
2. Разработка математической модели привода, позволяющей учитывать как большие вращения элементов привода, так и упругие деформации конструкции при проведении динамических расчетов.
Создание библиотеки моделей типовых элементов конструкций приводов для моделирования новых приводных устройств.
Построение на основе разработанного алгоритма математической модели блока приводов СБ для рассмотрения различных режимов его работы в составе международной космической станции с учетом взаимодействия привода с другими элементами конструкции.
Верификация математической модели блока приводов СБ.
Применение разработанной модели для решения практических задач численного моделирования статического и динамического состояния привода СБ при действии нагрузок, возникающих при его транспортировке, полете в составе транспортного корабля и при функционировании в составе МКС. Анализ влияния нелинейности характеристик привода на величину действующих на него в процессе функционирования динамических нагрузок.
Для построения математической модели в работе применены метод конечных элементов, метод суперэлементов и метод динамического синтеза подконструкций.
Научная новизна диссертационной работы состоит в: комплексной постановке задачи статического и динамического расчета сложных конструкций, содержащих приводные устройства; применении суперэлементного подхода и метода динамического синтеза подконструкций к моделированию привода с учетом его взаимодействия с другими элементами конструкции; разработке конечно-элементной модели блока приводов СБ с учетом кинематических, инерционных и жесткостных характеристик его элементов в составе МКС, позволяющей исследовать динамику привода и системы в целом при действии внешних нагрузок и момента двигателя; исследовании достоверности модели блока приводов на основе предложенного в работе набора верификационных задач; расчетных исследованиях динамического поведения системы «космический аппарат — приводное устройство» на различных этапах ее существования с учетом ранее не рассматриваемого взаимодействия элементов привода и конструкции, в выявленных расчетными исследованиями закономерностях динамического поведения элементов привода с нелинейными характеристиками, в частности, срыве магнитной муфты при превышении момента опрокидывания, возникающем при внекорабельной деятельности космонавтов, а также работе привода СБ.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложенный в ней способ моделирования электропривода в составе сложной конструкции позволил на этапе разработки новых систем получить более достоверную информацию о динамических нагрузках, возникающих в конструкции и приводе при различных режимах эксплуатации. Учет в модели конструкции характеристик конкретного привода (в том числе нелинейных) дает возможность выбрать по результатам расчетов оптимальные параметры привода.
Разработанная математическая модель привода СБ в составе МКС позволила исследовать динамику привода и КА при действии внешних нагрузок (стыковка, внекорабельная деятельность) и при действии момента, приложенного со стороны двигателя.
Результаты, полученные с применением разработанной модели при анализе нагрузок, возникающих в блоке приводов СБ российского сегмента МКС во время стыковок орбитальных кораблей, показали, что предъявленные в техническом задании требования по механическим нагрузкам существенно завышены. Снижение нагрузок в свою очередь позволило обосновать конструкцию разработанного в НПП ВНИИЭМ блока приводов СБ меньшей массы. Последнее обстоятельство имеет большую практическую значимость для конструкции космического назначения из-за высокой стоимости вывода на орбиту каждого дополнительного килограмма.
Внедрение в расчетную практику расчета приводов суперэлементного подхода позволило унифицировать процедуру составления динамических моделей приводов, т.е. использовать созданные ранее модели типовых узлов и элементов конструкций в новых системах, что сокращает сроки проведения проектных и поверочных расчетов приводов.
Проведенные расчетные исследования системы «конструкция — электропривод», позволили сделать выводы о целесообразности применения моделей приводов различной сложности (линейных и нелинейных) в зависимости от характера действующих нагрузок, что значительно сократило время моделирования, проведения расчетов, и, как следствие, ускорило создание привода.
Реализованный в модели механизм задания внешних подсистем в виде редуцированных матриц жесткости и масс позволил эффективно учесть динамические характеристики подсистем, разработанных другими соисполнителями проекта, и минимизировал время обмена информацией и объединения моделей.
На защиту выносятся:
1. Алгоритм построения математических моделей статического и динамического расчета приводных устройств в составе сложных электромеханических систем на основе МКЭ и МСЭ.
2. Разработанная на основе предложенного алгоритма суперэлементная модель блока приводов солнечных батарей в составе МКС, позволяющая учитывать как большие вращения элементов привода, так и упругие деформации конструкции, и обеспечивающая гибкое оперативное перестраивание модели для рассмотрения штатных этапов сборки и различных режимов работы.
Учет в модели блока приводов СБ динамических свойств внешних подсистем на основе метода динамического синтеза подконструкций (метод Крейга-Бемптона).
Библиотека моделей типовых элементов блока приводов (рамы и корпуса приводов, кабельный барабан, противосолнечные экраны, блоки электроники) для использования при моделировании других конструкций приводов.
5. Алгоритм обоснования достоверности модели блока приводов и набор верификационных примеров.
6. Результаты выполненных с помощью разработанной модели расчетных исследований параметров движения и нагрузок в элементах блока приводов на различных этапах жизненного цикла, в том числе с учетом нелинейности характеристик привода, позволяющие определить реальный характер и величину действующих на привод динамических нагрузок. Рекомендации по выбору параметров конструкции.
Предложенный в диссертации подход к моделированию привода в составе сложной системы применен в H1U1 ВНИИЭМ при проектировании блока приводов солнечных батарей Российского сегмента МКС (блоки Б36, Б20, Б56). Применение разработанной модели блока приводов СБ для определения динамических нагрузок позволило сформулировать требования к приводам и обосновать предложенную в НПП ВНИИЭМ конструкцию блока.
Разработанная модель привода СБ в составе Российского сегмента МКС применена в РКК «Энергия» для определения сил и моментов, действующих на научно-энергетическую платформу и солнечные батареи.
По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы и приложений.
В главе 1 приведен обзор методов динамических расчетов приводов в составе конструкций космического назначения. Сформулированы требования к математической модели сложной механической системы и рассмотрены численные методы моделирования динамики космических аппаратов. Приведены основные уравнения движения КА в конечно-элементной формулировке и описание алгоритмов динамического расчета пространственных систем, характерных для анализа КА. Изложены принципы суперэлементного подхода к составлению конечно-элементных моделей. Рассмотрены вопросы присоединения к динамической модели отдельных подсистем методом сочленения подконструкций.
В главе 2 дано описание конструкции блока приводов СБ, проанализированы его механические характеристики и возможные типы нагрузок. Представлено описание разработанной динамической модели блока приводов в составе сложной пространственной системы на примере привода солнечных батарей научно-энергетической платформы российского сегмента МКС. В модели учтены реальные особенности взаимодействия привода с другими частями конструкции.
В главе 3 приведены результаты верификационных динамических расчетов, позволяющие оценить достоверность составленной модели блока приводов СБ. В рамках верификации анализировались собственные частоты модели КА с приводом, средние скорости движения характерных точек МКС, нагрузки на привода, скорости вращения элементов приводов. Проведенные тестовые расчеты на различных вариантах модели блока приводов и сравнение полученных результатов с аналитическими решениями демонстрируют важные этапы создания математической модели и подтверждают правильность ее формирования и программной реализации.
В главе 4 представлены результаты исследования динамики привода на различных этапах жизненного цикла: при транспортировке, выведении и на этапе функционирования. Рассмотрена расчетно-экспериментальная модель системы амортизации для транспортировки блока в контейнере. Приведены результаты расчетов динамического состояния КА на этапе функционирования при действии сил, возникающих при стыковках космических кораблей.
С помощью разработанной модели был выполнен ряд расчетов на реальные нагрузки, действующие на блок приводов СБ. В работе рассмотрены следующие случаи: транспортировка блока приводов наземным транспортом; выведение блока приводов на орбиту в составе орбитального корабля; стыковка орбитальных кораблей к МКС; непреднамеренное столкновение космонавтов с навесным оборудованием в процессе внекорабельной деятельности.
В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты и выводы. Намечены направления дальнейших исследований.
В приложениях приведены подробные результаты решения верификационных задач и расчетов динамических нагрузок на блок приводов при стыковках орбитальных кораблей.
Основные результаты разработок и исследований, выполненных автором в рамках настоящей диссертационной работы, доложены на научно-техническом семинаре «Парашютные системы. Теория, конструкция, эксперимент», 1996; на. XVIII Международной конференции "Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы конечных элементов и граничных элементов. BEM/FEM-2000", С.-Петербург, 2000 г.; на Международном форуме по проблемам науки, техники и технологии, Москва, 2001.
Автор выражает искреннюю благодарность Гече В.Я., Горшкову А.И. и Белостоцкому A.M. за постоянное внимание и помощь в работе.
Особенности численного моделирования приводов для космических аппаратов и формирование требований к моделям
Моделирование структуры привода в составе конструкций космического назначения задача далеко не тривиальная как в плане постановки, так и в вычислительном плане. Отметим основные особенности рассматриваемого класса задач.
. Космический аппарат (КА) с приводными устройствами представляет -свободную в пространстве систему, содержащую частично незакрепленные (в направлении вращения) подсистемы, что приводит к появлению нулевых собственных частот и требует специальных вычислительных подходов (см. п. 1.5).
Объект моделирования, например, рассматриваемый в работе блок приводов СБ, являясь сам достаточно сложной конструкцией, входит наряду с другими изделиями в состав общей системы (МКС). Для рассмотрения нагрузок возникающих на этапе функционирования в рассматриваемой конструкции необходимо учитывать связи с остальными конструкциями-подсистемами и их динамические характеристики.
Наличие редукторных механизмов в блоках приводов является существенной особенностью с точки зрения их моделирования, так как вследствие большого передаточного отношения двигатель редуктора может совершать сотни оборотов при повороте выходного вала на несколько градусов, а приведенный к выходному валу момент инерции ротора двигателя сопоставим с моментом инерции приводимой в движение части системы.
В рамках работ по созданию динамической модели блока приводов СБ российского сегмента МКС были сформулированы требования к моделям приводов космического назначения, которые могут быть использованы при формировании математических моделей космических станций, спутников и других сложных технических систем:
. Полнота модели, т.е. возможность максимального учета конструкционных и эксплуатационных особенностей приводов и элементов конструкций; . Учет всего многообразия внешних воздействий (в виде расчетных или экспериментальных данных), и их анализ с единых позиций, позволяющий решать задачу создания оптимального привода для данной системы; . Многофункциональность модели - применимость для решения различных задач, таких как: - определение нагрузок на привод, - расчет напряженно-деформированного состояния элементов конструкции, - вычисление частот и форм колебаний, - определение параметров движения элементов привода при внешних нагрузках и при приложении момента двигателя. . Учет присоединенных внешних подсистем, которые не являются непосредственной частью рассматриваемой конструкции, но оказывают влияние на динамическое поведение системы;
. Обеспечение информационного единства моделей, т.е. соответствия информационных потоков исходных данных и результатов расчета, которыми обмениваются различные соисполнители проекта;
. Унификация и преемственность модели — возможность использования моделей типовых узлов, как для моделирования различных конфигураций системы, например, этапов сборки, так и для разработки моделей новых систем.
Анализ изложенных требований показывает, что для построения математической модели сложной механической системы целесообразно:
. Использовать метод конечных элементов для моделирования как наиболее развитый и распространенный метод комплексного анализа механических конструкций.
. Применить суперэлементный подход к моделированию для унификации создаваемых моделей на основе блочного построения, их гибкой перестройки, создания библиотеки типовых блоков конструкций; 3. Использовать эффективное вычислительное ядро, позволяющее с высокой степенью точности и максимальным быстродействием решать динамические задачи (определение собственных частот, установившихся и неустановившихся колебаний) большой размерности. Для решения рассматриваемых задач динамического расчета сложных механических конструкций в настоящей работе применялся отечественный конечно-элементный комплекс программ СТАДИО, модифицированный для решения рассматриваемых задач динамики конструкций космического назначения, включающих электропривода. Подробное описание его возможностей приведено в [15].
В настоящей главе отмечены лишь те возможности и способы численной реализации МКЭ, которые необходимы для общего инженерного понимания особенностей моделирования рассматриваемых систем
Анализ нагрузок, действующих на блок приводов СБ на различных этапах жизненного цикла
В работе рассмотрены нагрузки, действующие на блок приводов СБ при наземной транспортировке, выведении на орбиту в составе орбитального корабля, а также случае орбитального полета МКС. Эти воздействия 51 приводят к возникновению усилий и моментов на выходных валах привода, определение которых необходимо для оценки прочности конструкции и работоспособности привода.
Условия закрепления конструкции блока, а также характер и величина нагрузок отличаются для различных этапов, что необходимо учесть при разработке модели. На этапе орбитального полета возникает необходимость в учете инерционных нагрузок от СБ и модулей МКС, а также от дополнительных агрегатов и устройств (например антенны «Регул»), что приводит к изменению состава модели.
В процессе наземной транспортировки контейнер с блоком приводов подвергается динамическим воздействиям типа кинематических сотрясений с заданными параметрами - частотный диапазон, уровень, спектральная плотность и т.п. Динамические нагрузки на блок внутри контейнера зависят в основном от свойств системы амортизации, используемой для защиты блока приводов при транспортировке.
На этапе выведения в составе ОК «Шаттл» на конструкцию блока приводов, закрепленного к орбитальному кораблю, действуют динамические силы, задаваемые в виде линейных перегрузок, вызывающие значительные усилия в элементах конструкции, особенно в местах крепления к ОК.
На стадии орбитального полета МКС подвергается воздействию целого ряда механических нагрузок, обусловленных жизнедеятельностью экипажа, монтажом самой станции, стыковками транспортных и грузовых космических аппаратов, работой системы управления МКС, воздействием струй двигателей стыкуемых аппаратов.
Нагрузки от стыковки могут задаваться в виде временных функций сил и моментов, приложенных в портах стыковок, или спектров максимальных ускорений. Предварительный анализ исходных данных по силовым функциям (данные РКК «Энергия») показал, что максимальные усилия (около 1000 кг) соответствуют условиям стыковок, а при других 52 воздействиях силы на порядок меньше. Однако это не означает, что воздействия от стыковок являются определяющими при оценке прочности конструкций блока приводов, так как эти воздействия приложены в порты стыковок на значительном расстоянии от этих конструкций и будут в существенной мере ослаблены за счет большой податливости МКС. Влияние модулей МКС (НЭП) при передаче усилий и моментов на блок приводов задано в виде матриц Крейга-Бемптона, которые присоединяются к конечно-элементной модели привода. В силу такого специфического матричного задания МКС и СБ силовые воздействия на эти конструкции могут быть заданы в ограниченном количестве точек, соответствующим физическим координатам в матрицах. Внешние же воздействия на элементы самого блока приводов могут быть заданы в любой точке конструкции (на силовой раме, на выходных валах, на двигателях и т.д.).
Для «хрупких» выносных конструкций (например, тепловых экранов блока приводов СБ и блока «Регул») весьма значимыми являются воздействия от внекорабельной деятельности (ВКД) экипажа космической станции, так как при этом усилия могут быть приложены непосредственно к этим конструкциям. Эти воздействия обусловлены возможностью непреднамеренного столкновения космонавтов с оборудованием в процессе монтажа и ремонта и нормируются в виде кратковременного импульса силы, который может быть приложен в любом доступном для космонавтов месте.
Практический интерес представляет анализ поведения системы при действии моментов, создаваемых двигателем. В качестве примера в работе рассмотрен типичный случай воздействия со стороны системы управления
Собственные частоты модели блока приводов и отдельных подсистем
В целях проверки корректности представления динамических свойств конструкций МКС и СБ и проверки правильности стыковок суперэлементов, реализующих присоединение к модели соответствующих матриц Крейга-Бемптона, были вычислены их спектры собственных частот по отдельности и в составе различных подсистем, характеризующих поэтапную сборку модели.
Были проанализированы спектры собственных частот для следующих -подсистем: - МКС (без блока приводов); - крыло СБ (в составе от 1-й до 4-х панелей); - «МКС - корневой привод» в предположении жесткого опирання валов в перегородках блока приводов; - ориентируемый блок «Регул»; - «блок приводов СБ - блок «Регул» - в диапазоне до 10 Гц выявлены преимущественные колебания блока «Регул» и защитных экранов; - крутильные собственные частоты и формы редукторов привода в предположении жесткого опирання валов в перегородках блока приводов для случаев свободновращающегося и закрепленного ротора двигателя редуктора.
Для суперэлемента, соответствующего матричному представлению МКС вычислены значимые низшие собственные частоты при отсутствии закрепления, включая 6 "нулевых", соответствующих перемещениям как жесткого тела, и 161 значение в диапазоне от 0.05867 Гц до 10.0 Гц (табл. 3.1). С помощью двух альтернативных методов (метод вращения Якоби и блочный метод Ланцоша), получены полностью идентичные результаты. Подтверждена также правильность программной реализации процедуры стыковки суперэлемента к узлу корневого привода: при произвольных углах поворота спектр собственных значений не изменяется. Аналогичным образом выполнен сравнительный анализ динамических характеристик незакрепленной "матричной" модели крыла СБ для 3-х расчетных этапов его сборки. Низшие собственные частоты для варианта полной сборки (6 "нулевых" - для перемещений и поворотов как жесткого тела, и 57 значений для упругих колебаний с проявлениями групп из 4-х "почти" кратных частот, соответствующих парциальным формам 4-х СБ, в диапазоне от 0.3685 Гц до 10.0 Гц ) представлены в таблице 3.2.
Полная модель блока приводов на этапе орбитального полета кроме конструкций самого блока содержит также модель ориентируемого блока «Регул», редуцированные матрицы жесткости и масс МКС и двух крыльев СБ, которые могут быть различно ориентированы относительно друг друга. Вычисленные значения собственных частот колебаний для одного из вариантов их взаимной ориентации при незафиксированных приводах представлены в таблице 3.3
Таким образом, в расчетном диапазоне до 10 Гц, обусловленном ограничениями используемых динамических матриц МКС и СБ, выявлено более 300 собственных частот колебаний единой системы "МКС — блок «Регул» - блок приводов СБ - СБ"
Анализ расчетных спектров позволяет выделить следующие основные группы собственных частот и соответствующих им форм колебаний:
- 9 "нулевых", отвечающих за смещения и повороты всей системы и вращения механизмов приводов как жестких тел; - смешанные формы, в которых проявляются "парциальные" частоты МКС и значительная крутильная податливость муфты редуктора корневого привода - 0.2 Гц; - смешанные формы с проявлением "парциальные" частот крыльев СБ и значительной крутильной податливости муфт редукторов боковых приводов; - смешанные формы с преимущественными (значимыми) колебаниями блока «Регул»; смешанные формы со значимыми колебаниями защитных экранaов
Динамические нагрузки на блок приводов на этапе выведения
Разработанная модель блока приводов использовалась для обоснования прочности блока приводов на этапе выведения в составе транспортного корабля (ТК) при действии заданных перегрузок.
На этапе выведения параметры разработанной модели были приняты в соответствии с условиями закрепления блока приводов в ТК, а именно: привода в процессе выведения зафиксированы; - блок приводов соединяется с транспортным кораблем через специальные переходные фланцы в четырех узлах крепления, которые реализуют шарнирное опирание (рис. 4.5); - к элементам блока приводов приложены распределенные инерционные силы. Для модели блока приводов на этапе выведения были определены собственные частоты f\ в диапазоне до 100 Гц и соответствующие им формы колебаний. Результаты расчета согласуются с физическими предположениями: из 68-и вычисленных форм более 50-и отвечают колебаниям гибких защитных экранов (с практически кратными частотами, нижняя граница которых — 10.17 Гц), а начиная с 19-й частоты проявляются связанные пространственные формы с преимущественными колебаниями электронных блоков, кабельного барабана, экранов и сопутствующими перемещениями несущих элементов ферм корневого и боковых приводов. Значения низших собственных частот для модели блока приводов с экранами, а также для блока приводов без экранов и для экранов отдельно сведены в таблицу 4.6.
Две характерные собственные формы колебаний, представлены на рисунках 4.6,4.7. подсистем
При выведении в составе ТК блок приводов подвергается действию линейных ускорений в трех направлениях(Х, Y, Z): ах = 6.5g, ау = 6.5g, az = 6.0g. Были рассмотрены три исходных варианта нагружения (по каждому из направлений осей +Х, +Y, + Z), а также 4 значимых расчетных сочетания нагрузок: (+Х, +Y, + Z), (+Х, -Y, + Z), (+Х, +Y, - Z), (+Х, -Y, - Z).
В рамках расчетных исследований напряженно-деформированного состояния элементов блока приводов на этапе выведения были определены и проанализированы: перемещения всех узлов; - реакции в узлах шарнирного крепления к ТК; - нагрузки на подшипниковые узлы и узлы крепления корпусов кабельного барабана, токосъемников и редукторов; - усилия и напряжения во всех стержневых и оболочечных конечных элементах несущих конструкций и валах приводов. Деформированные состояния блока приводов, соответствующие действию заданных ускорений в каждом из трех направлений, представлены на рисунке 4.8.а,б,в. а) б) в)
Максимальные расчетные перемещения, возникающие в элементах несущей фермы при действии перегрузок в трех направлениях, характеризуются в основном изгибом рам боковых приводов и узлов крепления к ТК и составляют: их = 2.5мм - преимущественные деформации несущей фермы при нагрузках по осям X и Z; иу=3.0мм - деформации узлов крепления к ТК и деформации фермы при нагрузках по оси Y; иг = 5.0мм - преимущественные деформации узлов крепления к ТК при нагрузках по оси Z.
Максимальные расчетные перемещения на выходных валах приводов составляют: - для бокового привода -3 мм при сочетании нагрузок (X ,- Y,- Z); - для корневого привода -4 мм при сочетании нагрузок (X, ±Y, -Z); Максимальные расчетные перемещения во всей структуре блока приводов их = 43 мм зафиксированы для углов защитных экранов, лежащих на одной дуге с фиксаторами и наиболее от них удаленных.
Максимальные расчетные реакции в шарнирных узлах крепления к ТК приведены с учетом коэффициента безопасности составляют Рх=7820кГ, Ру=7642кГ,Р2=7054кГ.
Было установлено, что расчетные напряжения в основных элементах блока не превысили допускаемые. Однако в местах крепления рамы к ОК «Шаттл» были отмечены локальные превышения предела текучести материала -нормальные напряжения достигают 528.3 МПа для рам приводов. Опасный уровень нормальных напряжений, порожденный изгибающими моментами от реакций в шарнирных опорах, возникает в стальных штырях узлов креплениях к ОК "Шаттл" - до 428.9 МПа. Однозначный вывод об уровнях напряжений вблизи мест крепления к ТК, опираясь на полученные результаты сделать невозможно из-за недостаточной точности конечно-элементного решения в непосредственной близости от точечного приложения нагрузки. Для проверки полученных результатов были проведены испытания рамы блока приводов (протокол АБ-18.08.26 от 17.02.2001).
При проведении испытаний ставились следующие цели: 1. Определение несущей способности рамы (по началу пластического деформирования) в местах ее крепления при действии изгибающего момента. 2. Определение состояния рамы при действии расчетных нагрузок на этапе выведения. 3. Проверка результатов расчетной оценки прочности рамы, выполненной по разработанной модели блока приводов, в части недостаточной локальной несущей способности рамы в зонах стыковки с кронштейнами крепления транспортного корабля на этапе выведения. Схема испытательной установки показана на рис.4.9. Испытывались последовательно нижние и верхние пары опор, для чего стойки монтировались к ним поочередно. Рама была установлена на столе так, что стойки 1 и тяги 2 находились в горизонтальной плоскости. Создаваемое затягиванием гаек 4 усилие измерялось динамометром. Смещение стоек при проведении испытаний регистрировалось подсчетом оборотов гаек. Нагружение проводилось пошагово с регистрацией на каждом шаге усилий и числа оборотов гайки. Так как условия испытаний не позволяли создать нагружение, точно соответствующее расчетному случаю, эквивалентное нагружение при испытаниях определялось по величине действующего на узлы крепления изгибающего момента с учетом следующих предположений:
