Регистрация / Вход
Прислать материал

Решение задач моделирования и проектирования сетчатых анизогридных элементов конструкций космических аппаратов

Докладчик: Уваев Илья Владимирович

Должность: Заместитель директор Института космической техники СибГАУ, доцент, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Целью выполнения ПНИ являются: Разработка, моделирование и макетирование новых технических решений в области создания сетчатых (анизогридных) композитных конструкций элементов современных космических аппаратов (корпусов, антенн и панелей солнечных батарей). Научно-техническими задачами, подлежащими решению в ходе предполагаемых работ, является: 1. Разработка новых методов и подходов компьютерного моделирования и проектирования композитных сетчатых конструкций космических аппаратов (корпусов, антенн и панелей солнечных батарей). 2. Получение значимых научных результатов, содействующих импортозамещению и позволяющих переходить к созданию новых композитных сетчатых конструкций и элементов современных космических аппаратов, конкурентоспособных на мировом уровне. 3. Содействие выводу на рынок новых конструктивных решений на основе сетчатых структур, необходимых для создания космических аппаратов. 4. Обеспечение экспортного потенциала отечественных автоматических космических аппаратов за счет конструктивных преимуществ, появляющихся при использовании отечественных композитных сетчатых структур.

Основные планируемые результаты проекта:
Ожидаемыми результатами при проведении предлагаемой ПНИ являются:
- промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ;
- отчет о патентных исследованиях;
- аналитические и приближенно-аналитические методы анализа нелинейных деформаций и моделирования типовых элементов композиционных конструкций космических аппаратов (сетчатых оболочек).
- эскизная техническая документация на макеты элементов сетчатых конструкций космических аппаратов;
- методическая документация по проведению исследований объектов ПНИ (методика экспериментов, результаты обработки данных, полученных при проведении экспериментов);
- две заявки на получение правоохранных документов объектов интеллектуальной собственности;
- конечно-элементные модели сетчатых цилиндрических оболочек с круглым поперечным сечением и постоянной жесткостью по длине;
- конечно-элементные модели сетчатых цилиндрических оболочек с круглым поперечным сечением и переменной жесткостью по длине;
- конечно-элементные модели сетчатых цилиндрических оболочек с эллиптическим поперечным сечением;
- конечно-элементные модели сетчатых цилиндрических оболочек с поперечным сечением в виде многоугольника;
- конечно-элементных модели сетчатых конических оболочек;
- конечно-элементные модели сетчатых панелей;
- методика проектирования сетчатой цилиндрической оболочки с круглым поперечным сечением при наличии ограничений, накладываемых на критические усилия и моменты;
- методика проектирования сетчатой цилиндрической оболочки с круглым поперечным сечением при наличии ограничений, накладываемых на частоты продольных и поперечных колебаний;
- методика проектирования сетчатой цилиндрической оболочки с круглым поперечным сечением с отверстиями при наличии ограничений, накладываемых на критические усилия и частоты продольных и поперечных колебаний;
- методика проектирования сетчатой цилиндрической оболочки с круглым поперечным сечением и переменной жесткостью при наличии ограничений, накладываемых на жесткость конструкции;
- методика проектирования сетчатой цилиндрической оболочки с эллиптическим поперечным сечением при наличии ограничений, накладываемых на критические усилия и частоты колебаний;
- методика проектирования сетчатой цилиндрической оболочки с многоугольным поперечным сечением при наличии ограничений, накладываемых на критические усилия и частоты колебаний;
- методика проектирования сетчатой конической оболочки при наличии ограничений, накладываемых на критические усилия и моменты;
- методика проектирования адаптера полезной нагрузки, состоящего из двух сетчатых оболочек и соединяющего их сетчатого цилиндра;
- методика проектирования адаптера полезной нагрузки, состоящего из двух сетчатых оболочек и соединяющей их трехслойной пластины;
- методика проектирования плоских сетчатых каркасов солнечных батарей при наличии ограничений, накладываемых на частоты колебаний;
- методика проектирования сетчатых спиц с постоянной и переменной жесткостью по длине при наличии ограничений, накладываемых на жесткость и прочность конструкции;
- методика проектирования сетчатых спиц с поперечным сечением в виде многоугольника при наличии ограничений, накладываемых на жесткость и прочность конструкции;
- программа и методики экспериментальных исследований;
- эскизная (рабочая) техническая документация на экспериментальный образец;
- технические требования и предложения по разработке продукции на основе результатов ПНИ;
- рекомендации по внедрению результатов ПНИ на предприятиях космической отрасли.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты выполненной работы позволят создать принципиально новые сетчатые конструктивные элементы космических аппаратов. Это силовые корпуса, адаптеры полезной нагрузки, спицы зонтичных антенн, каркасы параболических антенн и солнечных батарей. Использование новых анизогридных структур повысит весовую эффективность космических аппаратов, их эксплуатационные параметры и время работы на орбите. Тем самым результаты исследований помогут увеличить экономическую и экспортную привлекательность отечественной космической техники. Сетчатые конструкции, разработанные в проекте, инициируют создание новых технологических процессов изготовления композитных изделий.
Результаты работы будут использованы на предприятиях космической отрасли, производящих космическую технику, конструктивными элементами которой являются сетчатые оболочки и панели. Примером такого предприятия может служить ОАО «ИСС» им. академика М.Ф. Решетнева. Силовой каркас спутников связи и навигации, изготавливаемых на этом предприятии, представляет собой сетчатый углепластиковый цилиндр. Адаптер полезной нагрузки выполнен в виде сетчатого конуса. Сетчатой структурой обладают спицы зонтичных антенн, создаваемых на предприятии для космических аппаратов. Необходимость повышения весовой эффективности космических аппаратов реализовалась в создании на предприятии производства элементов конструкций из композиционных материалов. В настоящее время ОАО «ИСС» проводятся работы по созданию новых космических аппаратов негерметичного исполнения с использованием сетчатых композитных оболочек. Сетчатые структуры будут применены в конструкциях трансформируемых антенн с большим (до 50 м) диаметром апертуры. Предприятие ОАО «ИСС» выступает в качестве индустриального партнера проекта, обеспеичвает софинансирование проекта, заинтересованно во внедрении и использовании результатов исследований, выполненных в рамках настоящего проекта.

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, посвященных анализу существующих моделей, методов расчета и проектирования сетчатых оболочек, пластин и стержней. В этом обзоре рассматриваются изогридные и анизогридные конструкции. Выполнена оценка весовой эффективности изогридных оболочек и пластин. Рассмотрены методы проектирования, способы изготовления и методики испытаний изогридных конструкций, выполненных из металлических и композиционных материалов. Исследована история развития сетчатых анизогридных конструкций, которые являются элементами, широко используемыми в авиационной, ракетной и космической технике. В обзоре собраны примеры сетчатых конструкций, рассмотрены способы их изготовления и методы испытаний. Показана тенденция возрастающего применения сетчатых композитных оболочек, пластин и стержней в конструкциях космических аппаратов.
Выполнена сравнительная оценка существующих технических решений по проектированию композитных сетчатых конструкций элементов современных космических аппаратов. Показано, что для исследования сетчатых оболочек при различных видах нагружения используются феноменологическая континуальная модель и дискретная модель. В континуальной модели сетчатая оболочка заменяется сплошной оболочкой, обладающей осредненными жесткостями. Анализ напряженного и деформированного состояния такой структуры осуществляется с помощью уравнений теории ортотропных оболочек. Дискретные модели сетчатых оболочек создаются с помощью различных типов конечных элементов. Для моделирования сетчатой структуры используются балочные, оболочечные и трехмерные конечные элементы. Показано, что особенностями задачи проектирования сетчатых оболочек из композитных материалов являются многообразие видов потери несущей способности (разрушение материала ребер при растяжении и сжатии, местная потеря устойчивости отдельных ребер и участков обшивки и общая потеря устойчивости) и зависимость механических и структурных характеристик от параметров технологического процесса. Отмечено, что к настоящему времени разработаны три метода проектирования сетчатых оболочек на этапе предварительного проектирования. Это аналитическое проектирование на основе метода геометрического программирования теории оптимизации, аналитическое проектирование методом минимизации коэффициентов безопасности и численная оптимизация, предполагающая целенаправленное варьирование проектных параметров, обеспечивающее минимум массы конструкции.
Сделан выбор и обоснование направлений исследования. Они включают разработку методов анализа и проектирования следующих конструкций: анизогридного цилиндра, жесткость сетчатой структуры которого изменяется по определенному закону вдоль образующей; сетчатого цилиндра с эллиптическим поперечным сечением; сетчатой параболической антенны; сетчатого каркаса; сетчатого цилиндра с поперечным сечением в виде многогранника, используемого в качестве корпуса космического аппарата или спицы зонтичной антенны с большим диаметром апертуры.