VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

В настоящее время с помощью пилотируемых и автоматических космических аппаратов проводятся различные исследования в области науки и техники, сельского хозяйства и промышленности (изучение Земли, поиск полезных ископаемых, наблюдение за погодными условиями, обеспечение дальней радиосвязи и телевидения). Кроме того, в космическую технику постоянно происходит внедрение новейших разработок и научных достижений, что способствует повышению общего уровня разработок и промышленного производства.

Развитие техники и технологии позволяет уменьшать размеры выводимых на орбиту космических аппаратов. С точки зрения экономики, малые космические аппараты гораздо выгоднее.

Преимущество малых космических аппаратов:

• снижение затрат на производство и запуск космического аппарата;

• окупаемость космических систем спутниковой связи;

• снижение времени на создание космического аппарата;

• возможность внедрения передовых технологий.

Все эти преимущества позволяют выводить на орбиту малые космические аппараты в большом количестве.

Однако даже малый космический аппарат, выводимый на орбиту, должен выдерживать все перегрузки, которые возникают в процессе полета.

На конструкцию космического аппарата в процессе его работы действуют различные факторы, такие как:

• силовые и тепловые нагрузки;

• невесомость, глубокий вакуум, радиационное, электромагнитное и метеорное воздействия и другие внешние факторы, действующие на космический аппарат в космосе;

• нагрузки, связанные с наземной эксплуатацией космического аппарата, в том числе, возникающие при его транспортировании к месту старта.

Для того чтобы выдержать все нагрузки, космический аппарат должен быть хорошо протестирован и проанализирован при разработке. Так, одним из методов анализа является механический анализ корпуса малого космического аппарата.

Механический анализ – это прочностной анализ конструкции методом конечных элементов. На сегодняшний день этот метод прочностного расчета является наиболее распространенным и эффективным.

Механический анализ включает в себя два этапа:

• создание математической конечно-элементной модели конструкции корпуса малого космического аппарата;

• проведение механического анализа, который включает в себя определение собственных частот и форм колебаний конструкции.

В данном эксперименте проводился механический анализ корпуса малого космического аппарата в формате Cube Sat. Он имеет объем 1 литр. Корпус выполнен в форме куба и имеет геометрические размеры 100×100×100 мм.

Корпус состоит из шести панелей-сторон, восьми крепежных элементов и 96 винтов. Панели выполнены из алюминиевого сплава 7075, который имеет следующие данные:

• Модуль упругости: 7·10¹⁰ Н/м²

• Коэффициент Пуассона: 0,3

• Модуль сдвига: 0 Н/м²

• Теплопроводность: 160 Вт/(м*К)

• Коэффициент теплового расширения: 2,4·10^-5 1/К

• Плотность масс: 2700 кг/м³

• Предел текучести: 2,55742·10⁷ Н/м²

• Предел прочнoсти на растяжение: 6,59356·10⁷ н/м²

• Предел прочнoсти на сжатие: 6,59356·10⁷ н/м²

• Теплоемкость: 900 Дж/(кг*К).

Элементы корпуса не должны содержать резонансных частот до 40 Гц.

На первом этапе была создана трехмерная геометрическая модель корпуса малого космического аппарата. Модель была создана с использованием T-Flex CAD 3D. Данная модель представлена на рис. 1.

Рис. 1. Трехмерная геометрическая модель корпуса малого космического аппарата.

На втором этапе проведения механического анализа создается конечно-элементная модель конструкции. При ее создании конструкция корпуса представляется в виде совокупности конечных элементов.

Численные значения, получаемые в результате анализа, напрямую зависят от того, насколько правильно выполнено представление тела конечными элементами.

В данном случае при создании конечно-элементной модели корпуса использовались треугольные элементы.

Полученная конечно-элементная модель корпуса представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Полученная конечно-элементная модель корпуса

Результатами механического анализа являются:

• Частота собственных колебаний (Гц) - соответствует ожидаемой резонансной частоте конструкции. Теоретически количество собственных частот для любого тела бесконечно. В результатах отображаются только частоты для выбранных форм собственных колебаний.

• Форма собственных колебаний, соответствующая данной частоте.

Форма колебаний показывает, какие относительные деформации (перемещения) будет испытывать конструкция, в случае возникновения резонанса на соответствующей собственной частоте. Формы колебаний представляют собой относительные амплитуды колебаний. Если проанализировать эти формы, можно сделать заключение о характере резонансных перемещений, но не об их фактической амплитуде.

Результатами механического анализа являются обнаруженные частоты колебаний выше 1000 Гц.

f₁=1084.885 Гц;

f₂=1108,301 Гц;

f₃=1169,687 Гц;

f₄=1175,095 Гц.

Также результатом механического анализа являются формы собственных колебаний корпуса, соответствующие полученным резонансным частотам. Результаты приведены на рисунке 3, рисунке 4, рисунке 5, рисунке 6.

Рис. 3. Форма собственных колебаний корпуса малого космического аппарата на резонансной частоте, равной 1084,558 Гц.

Рис. 4. Форма собственных колебаний корпуса малого космического аппарата на резонансной частоте, равной 1108,301 Гц.

Рис. 5. Форма собственных колебаний корпуса малого космического аппарата на резонансной частоте, равной 1169,687 Гц.

Рис. 6. Форма собственных колебаний корпуса малого космического аппарата на резонансной частоте, равной 1175,095 Гц.

Был проведен механический анализ корпуса малого космического аппарата, найдены резонансные частоты конструкции, а также получены формы собственных колебаний корпуса малого космического аппарата на полученных резонансных частотах. Полученные собственные частоты находятся выше 1000 Гц, что соответствует требованиям.

Список литературы:

1. Максимов С.В., Протасова С.В. T-FlexParametricCAD. Начальный курс. Часть 1. Параметрическое черчение. – Северодвинск, 2008. – 71с.

2. T-FLEX анализ. Пособие по работе с системой. – Москва, 2011.

Код для цитирования: Скопировать