VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Согласно проведенным исследованиям при проектировании микроспутника важной задачей является создание унифицированной конструкции платформы УКП. Основными силовыми элементами корпуса являются платформа с четырьмя стойками, рамы и ребра жесткости, выполненные в виде уголков. Платформа имеет монтажные отверстия по всему периметру, для облегчения веса конструкции, а также придания ей универсальности, т.е. создания и наращивания различных модулей полезной и служебной нагрузок. Корпус имеет геометрические размеры 300×300×300 мм. Все детали выполнены из конструкционного материала АБМ-3М. Масса корпуса составляет 2 килограмма.

Рисунок 1 – Составные элементы корпуса

Необходимость в расчете собственных частот возникает при анализе динамического поведения конструкции под действием переменных нагрузок. Наиболее распространена ситуация, когда при проектировании требуется убедиться в малой вероятности возникновения в условиях эксплуатации такого механического явления, как резонанс. Известно, что резонансы наблюдаются на частотах, близких к частотам собственных колебаний конструкции. [1].

Известно, что двигатель-маховик, установленные на борту УКП, работают в диапазоне частот 10-100 Гц, значит, нижние собственные частоты корпуса должны превышать верхнюю границу этого диапазона.

Для проведения проверочных расчетов в программном модуле T-FLEX Анализ необходима конечно-элементная модель (рисунок 2).

Рисунок 2 – Конечно-элементная модель корпуса

После задания необходимых начальных условий, проводится определение значений собственных резонансных частот корпуса. На рисунке 3 представлены четыре формы колебаний конструкции корпуса.

Рисунок 3 – Формы собственных колебаний корпуса

На рисунке показаны наиболее нагруженные участки, которые подвержены негативному воздействию резонансных колебаний, а также указаны максимальные значения деформаций и нагружений в конструкции.

Таблица 1 – Результаты собственных резонансных частот конструкции корпуса для каждой формы колебаний

Форма колебаний	Значение резонансной частоты, Гц
1	706,144
2	720,777
3	1052,294
4	1098,482

Полученные результаты частотного анализа показывают, что конструкция является работоспособной, с большим запасом по значениям частот вынужденных механических воздействий.

Квазистатическая нагрузка – это один из видов перегрузок, которые испытывает спутник при выводе на орбиту. Проверочный расчет также проводится с помощью программного модуля T-FLEX Анализ «Статический анализ».

Основная цель статического прочностного анализа конструкций заключается в оценке напряжённого состояния конструкции, находящейся под действием не изменяющихся во времени (статических) силовых воздействий. Условие прочности в общем случае формулируется следующим образом [1]:

Напряжения σ, возникающие в конструкции, под действием приложенных к ней внешних сил должны быть меньше допускаемых напряжений [σ] для данного конструкционного материала с учётом коэффициента запаса Kзап по прочности.

σKзап≤[σ]

Для проведения статического анализа создается конечно-элементная модель в программном модуле T-FLEX Анализ, с заданием всех начальных условий: (рисунок 4)

Рисунок 4 – Конечно-элементная модель микроспутника, с начальными условиями

Проектирование и испытания на воздействие квазистатических перегрузок проводиться с учетом коэффициента безопасности, значение которого устанавливается нормативно-технической документацией на ракетно-космическую технику:

- при наземной эксплуатации – 2,0;

- при старте на участке движения в ТПК – 1,5;

- при старте после выхода из ТПК – 1,3;

- в полете – 1,3

Корпус микроспутника должен сохранять работоспособность после воздействия перегрузок: на Земле во время транспортировки, а также на участке вывода на рабочую орбиту и при отделении от носителя.

Величины нагрузок перекрываются величинами полетных нагрузок. В таблице 2 представлены значения полетных перегрузок.

Таблица 2 – Величины полетных перегрузок

Случай эксплуатации	Перегрузка, g
	Продольная (X)	Поперечная (Y, Z)
Старт	3,6±0,7	±2,5
Полет 1 ступени	8,6±0,5	-0,5±1,0
Полет 2 ступени	7,8±0,5	±0,8
Полет 3 ступени	-0,5±3,4	±0,7

Действующие перегрузки:

- поперечные перегрузки могут действовать в любом направлении одновременно с осевыми перегрузками;

- гравитационные перегрузки учтены;

- динамические перегрузки учтены;

- длительность воздействия: 700 секунд.

Исходя из этого, корпус проверяется на воздействие квазистатических перегрузок.

Fi=g∙m∙kзап

где Fi – сила, действующая по осям нагружения, Н;

g – величина перегрузки, м/с²;

m – масса проверяемого объекта, кг;

kзап – коэффициент запаса (2,0)

Полученные перегрузки прикладываются в виде усилий по всем трем осям к конечно-элементной модели как показано на рисунке 4. Наибольшие перегрузки действуют при работе первой ступени ракеты-носителя. Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты статического анализа первой ступени полета

Исследуемый параметр	Значение
	Минимум	Максимум
Перемещения, модуль, м	0	1,797∙10-5
Деформации эквивалентные, м	1,172∙10-11	1,307∙10-6
Напряжения эквивалентные, Н/м2	1,091∙106	2,639∙105
К-т запаса по эквивалентным напряжениям	320,7	1326

Результаты анализов говорят о том, что эквивалентные деформации при воздействии нагрузки на корпус микроспутника составляют 1,307∙10-6 метра, т.е. 1,3 микрона. Такая величина не способна вызвать существенные проблемы при эксплуатации корпуса, и никак не повлияет на его полноценную работу.

Максимальное значение эквивалентных напряжений составляет 2,639∙105 Н/м², с учетом коэффициента запаса эта величина будет вдвое больше, но все равно не превысит допустимые напряжения для конструкционного материала АБМ-3М (5400∙105 Н/м²).

Коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям показывает, что существует большой запас прочности для спроектированной конструкции корпуса (kзап=1326 ).

Результаты деформации модели по четырем параметрам представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Результаты статического анализа корпуса

Список литературы:

1. Костюченко Т.Г. САПР в приборостроении: учебное пособие. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010.-207 с.

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

Код для цитирования: Скопировать