Расчет заделки при транспортировке створки обтекателя двигательного отсека из композиционного материала

1.

Институт ракетно-космической техники
Кафедра космического машиностроения
имени генерального конструктора Д. И.
Козлова
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ
РАБОТА «РАСЧЕТ ЗАДЕЛКИ ПРИ
ТРАНСПОРТИРОВКЕ СТВОРКИ
ОБТЕКАТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЬНОГО ОТСЕКА
ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА»
Студент группы 1404-150303D
Сафронов Дмитрий Александрович
Научный руководитель:
профессор, д.т.н. Кирпичев В. А.
Самара
2023

2.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ, ЗАДАЧИ
Цель работы: анализ напряженно-деформированного состояния и расчет
на прочность конструкции створки и заделки при ее закреплении на
транспортировочной ферме посредством кронштейнов и транспортировании
различными видами транспорта — железнодорожным, автомобильным и
воздушным, включая случай аварийной посадки транспортного самолета.
Задачи:
— провести обзор видов транспортировки ракетно-космической техники;
— изучить существующие конструктивно-силовые схемы тонкостенных
оболочек;
—
провести
обзор
композиционных
материалов,
применяемых
в
ракетостроении;
— изучить обтекатель двигательного отсека сборочно-защитного блока;
— разработать 3D-модели створки обтекателя двигательного отсека,
транспортировочной фермы и кронштейнов;
— на основе 3D-моделей разработать конечно-элементную модель конструкции;
— провести анализ напряженно-деформированного состояния конструкции;
— провести расчет на прочность конструкции.
2

3.

ТРАНСПОРТИРОВКА РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Погрузка ТГК «Прогресс МС-13» в транспортныйПогрузка ракеты в грузовой отсек самолета Ан-124
контейнер
Перегрузка РН «Зенит-3SL» на морское судно
Транспортировка блока РН «СоюзСТ-Б»
на автоприцепе
3

4.

КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВЫЕ СХЕМЫ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК
Подкрепленная
конструкция
Трехслойная композитная
конструкция
Вафельная
оболочка
Сетчатая
оболочка
4

5.

ПРИМЕНЯЕМЫЕ В РАКЕТОСТРОЕНИИ КОМПОЗИЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Стекловолокно
Алюминиевые соты с «флексячейками»
Углеродная
ткань
Органическое
волокно
Препрег
5

6.

НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И РАБОТА ОБТЕКАТЕЛЯ
ДВИГАТЕЛЬНОГО ОТСЕКА
Обтекатель
двигательного отсека (ОДО)
входит в состав сборочнозащитного блока, является его
основной
частью
и
предназначен для защиты
двигательного
отсека
пилотируемого космического
аппарата, выводимого ракетой
космического назначения, от
воздействия
набегающего
аэродинамического потока и
аэродинамического
нагрева,
акустического воздействия, а
также
для
защиты
от
неблагоприятных воздействий
окружающей среды (ветра,
пыли, дождя, снега) при
транспортировке в составе
космической головной части и
ракеты
космического
назначения.
Схематическое изображение створок обтекателя двигательного
отсека
6

7.

РАЗРАБОТКА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СТВОРКИ ОБТЕКАТЕЛЯ,
ТРАНСПОРТИРОВОЧНОЙ ФЕРМЫ И КРОНШТЕЙНОВ
Геометрические размеры створки обтекателя
Месте крепления кронштейна
со створкой
Схема транспортировочной фермы
7

8.

РАЗРАБОТКА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СТВОРКИ ОБТЕКАТЕЛЯ,
ТРАНСПОРТИРОВОЧНОЙ ФЕРМЫ И КРОНШТЕЙНОВ
Расположение створки на транспортировочной ферме
Область закрепления транспортировочной фермы
Точки крепления кронштейнов со створкой
Место крепления кронштейна со створкой
8

9.

РАЗРАБОТКА КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИИ
Определение композитного пакета
Схема ориентирования углеродной ленты
9

10.

РАЗРАБОТКА КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИИ
Конечно-элементная модель
конструкции
Конечно-элементная модель
кронштейна
Конечно-элементная модель конструкции
(другой вид)
Ориентация
элементов
10

11.

ЗАДАНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ И НАГРУЗОК
Эксплуатационные
значения
перегрузок
при
транспортировании
составных частей СЗБ разными видами
транспорта
Заданные граничные условия
Максимальные расчетные значения
перегрузок
(коэффициент
безопасности
равен 2)
Расположение конструкции в
пространстве во время транспортировки
11

12.

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ СТВОРКИ
ОБТЕКАТЕЛЯ
Максимальные перемещения равны 6,77
мм
Распределение нормальных продольных
напряжений в первом слое створки
Максимальные перемещения равны 3,92
мм
Нормальные продольные напряжения в
первом слое створки в области
крепежного отверстия
12

13.

РАСЧЕТ ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ СТВОРКИ ПРИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ
Максимальные нормальные
напряжения
Запасы прочности
Критерий максимальных напряжений
Вычисленные
значения
максимальных напряжений по каждому
слою сравниваются с предельными
значениями,
и
выбирается
максимальный
из
полученных
коэффициентов. Далее вычисляется
обратное
значение
выбранного
коэффициента,
которое
затем
сравнивается с 1.
13

14.

РАСЧЕТ ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ СТВОРКИ ПРИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ
Нормальные силы, возникающие в
узлах крепления конструкции
Вектор силы реакции в наиболее
нагруженном узле створки
14

15.

РАСЧЕТ ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ СТВОРКИ ПРИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ
Коэффициент
запаса
устойчивости, показывающий, во
сколько раз нужно увеличить
заданную
нагрузку,
чтобы
конструкция
потеряла
устойчивость, составляет 68,94.
Форма потери устойчивости
створки
Форма потери устойчивости створки (другой
вид)
15

16.

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ
АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ СТВОРКИ ОБТЕКАТЕЛЯ
Максимальные перемещения равны 3,15
мм
Форма потери устойчивости створки
(коэффициент запаса устойчивости равен
40,70)
Распределение нормальных продольных
напряжений в первом слое створки
Нормальные продольные напряжения в
первом слое створки в области
крепежного отверстия
16

17.

РАСЧЕТ ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ СТВОРКИ ПРИ
АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ
Максимальные нормальные
напряжения
Запасы прочности
Нормальные силы, возникающие
в узлах крепления конструкции
17

18.

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ВОЗДУШНОМ
ТРАНСПОРТИРОВАНИИ СТВОРКИ ОБТЕКАТЕЛЯ
Максимальные перемещения равны 3,34
мм
Форма потери устойчивости створки
(коэффициент запаса устойчивости равен
55,21)
Распределение нормальных продольных
напряжений в первом слое створки
Нормальные продольные напряжения в
первом слое створки в области
крепежного отверстия
18

19.

РАСЧЕТ ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ СТВОРКИ ПРИ
ВОЗДУШНОМ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ
Максимальные нормальные
напряжения
Запасы прочности
Нормальные силы, возникающие
в узлах крепления конструкции
19

20.

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ АВАРИЙНОЙ
ПОСАДКЕ ТРАНСПОРТНОГО САМОЛЕТА
Максимальные перемещения равны 11,10
мм
Форма потери устойчивости створки
(коэффициент запаса устойчивости равен
19,98)
Распределение нормальных продольных
напряжений в девятом слое створки
Нормальные продольные напряжения в
девятом слое створки в области
крепежного отверстия
20

21.

РАСЧЕТ ЗАПАСОВ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ СТВОРКИ ПРИ
АВАРИЙНОЙ ПОСАДКЕ ТРАНСПОРТНОГО САМОЛЕТА
Максимальные нормальные
напряжения
Запасы прочности
Нормальные силы, возникающие
в узлах крепления конструкции
21

22.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной выпускной квалификационной работе было выполнено следующее:
— проведен обзор различных видов транспортировки ракетно-космической техники,
рассмотрены особенности и нюансы каждого вида транспорта;
— изучены основные конструктивно-силовые схемы тонкостенных оболочек, описаны
их преимущества и недостатки;
— проведен обзор основных видов композиционных материалов, применяемых в
ракетостроении;
— изучен обтекатель двигательного отсека сборочно-защитного блока, рассмотрены
его назначение, устройство и работа.
В программном комплексе САПР «Компас-3D V18.1» были созданы геометрические
модели створки обтекателя двигательного отсека, закрепленной на транспортировочной
ферме с помощью кронштейнов. В CAE-системе «ANSYS Workbench» была построена
конечно-элементная модель данной конструкции и смоделированы нагрузки, возникающие
при ее транспортировке различными видами транспорта — железнодорожным,
автомобильным и воздушным, включая случай аварийной посадки самолета.
Все это позволило исследовать напряженно-деформированное состояние конструкции
створки под действием перегрузок, определить запасы прочности каждого слоя створки по
критерию максимальных напряжений, рассчитать наиболее нагруженные узлы крепления
конструкции на предмет прочности композитного пакета, а также смоделировать формы
потери устойчивости створки.
При заданных нагрузках во всех слоях конструкции створки наблюдаются достаточные
запасы прочности, а напряжения в наиболее нагруженных узлах крепления меньше
допускаемых напряжений. Соответственно можно сделать вывод о том, что композитная
конструкция створки удовлетворяет всем условиям прочности при любом виде
транспортирования.
22

23.

БЛАГОДАРЮ
ЗА ВНИМАНИЕ
10