Расчет кронштейна звездного датчика

1.

Цели и задачи проектной работы
Проблема:
Избыточная масса
производство
конструкции
при
проектировании
деталей
под
традиционное
Цель:
Снизить массу выбранной детали с помощью оптимизации конструкции и изготовления ее
селективным лазерным сплавлением при сохранении соответствия конструкции требованиям
прочности, тепловых свойств и сохранения геометрии
Задачи:
1.Отбор деталей, целесообразных для аддитивного производства
2.Топологическая оптимизация выбранной детали
3.Проектировочный и поверочный расчёт (прочность, динамика, теплоперенос)
4.Оценка эффективности оптимизации
1

2.

Возможные для оптимизации детали
Возможные объекты для
проверки методики
Кронштейны
Корпуса
Кожухи
Фланцы
Фитинги
В данном распределении были предложены категории изделий, относящихся к малым космическим аппаратам, для верификации
методики проектирования и производства элементов малых космических аппаратов методом селективного лазерного сплавления
(SLM)
2

3.

Методика отбора
Подобранные исходные
детали
1
Первый этап отбора
Второй этап
отбора
2
3
Результатом полного анализа будет являться перечень элементов, рекомендованных к изготовлению методом SLM, с обоснованием принятого решения. Для элементов, не прошедших
отбор, фиксируются причины отказа от аддитивного производства (например, слишком простая геометрия или жесткие требования к шероховатости поверхностей).
3

4.

Верификация. Отбор деталей
50 (100%)
1
22 (44%)
5 (10%)
2
3
Результатом отбора стала
выбранная для оптимизации
деталь
4

5.

Выбранная для оптимизации деталь
Пройденный отбор на
целесообразность проведения
генеративного дизайна
Параметр
Значение
Масса (г)
220
Габаритные параметры
(мм)
99х98х98
Материал
АМг6
Плотность (кг/м3)
2640
Коэффициент Пуассона
0.3
Модуль упругости (Мпа)
71000
6

6.

Ключевые требования к изделию и условиям эксплуатации
Требования :
Собственные частоты: первая СЧК силовоспринимающих (несущих) частей конструкции КА (с учётом
удерживаемых масс), а также элементов приборов бортовой аппаратуры составляет не менее 100 Гц
Механические нагрузки: не превышение порогового значения прочности кронштейна под
действием вибрационных нагрузок при выведении на орбиту, статической нагрузки от массы
датчика
Теплоотвод:
Кронштейн
должен
обеспечивать
отвод
3.5
Вт
с
звездного
датчика
с
сопротивлением менее 2 К/Вт
Требования к геометрии: сохранение заданных посадочных и крепежных поверхностей
Ключевой критерий оптимизации: достижение целевой массы при максимизации жесткости
7

7.

Напряженно-деформированное состояние исходного кронштейна
Свойства кронштейна для
оптимизации
Тип закрепления,
граничные условия
Расчет будет включать:
1. Расчёт напряженно-деформированного состояния
исходной конструкции кронштейна (BRACKET 05)
звездного датчика.
2. Топологическая оптимизация кронштейна (BRACKET 05),
под действием выбранного уровня нагружений.
3. Расчёт прочности оптимизированного кронштейна
(BRACKET 05).
4. Тепловой расчет оптимизированного кронштейна
(BRACKET 05).
359 Гц - первая форма
Соответствует требованиям
собственные частоты
на
8

8.

Напряженно-деформированное состояние исходного кронштейна
Расчёт
напряженно-деформированного
состояния
исходной
конструкции кронштейна (BRACKET 05) в составе сборки при ШСВ проведен
для всех трёх направлений вибрации адаптированной модели: X, Y и Z.
При моделировании ШСВ использованы следующие параметры:
модальное демпфирование 1.5% (для всех учитываемых мод);
Учитываются первые 5 форм (максимальная СЧК - Гц).
Расчетные уровни вибрации:
Полученные
максимальные
напряжения сильно меньше
предела текучести материала.
При этом также у детали есть
области ненагруженные или
слабо нагруженные, которые
можно
оптимизировать
для
достижения более высокого
массового совершенства.
9

9.

Оптимизация кронштейна
Расчет будет включать:
1. Расчёт
напряженно-деформированного
состояния
исходной
конструкции
кронштейна (BRACKET 05) звездного
датчика.
2. Топологическая оптимизация кронштейна
(BRACKET 05), под действием выбранного
уровня нагружений.
3. Расчёт прочности оптимизированного
кронштейна (BRACKET 05).
4. Тепловой расчет оптимизированного
кронштейна (BRACKET 05).
Свойства
кронштейна для
оптимизации
Параметр
Параметр
Значение
Масса звездного
датчика (г)
760
Уровень
виброускорения при
ШСВ
12,7g
Уровень 3 сигма
3
Учет коэффициента
динамичности
2
Значение
Масса (г)
220
Габаритные параметры
(мм)
99х98х98
Материал
RS-300 (Отжиг)
Плотность (кг/м3)
2658
Коэффициент Пуассона
0.3
Модуль упругости (Мпа)
68000
10

10.

Оптимизация кронштейна
В рамках расчетов было
проведено более 15 разных
вариантов оптимизации,
полный расчет будет
рассмотрен на примере
наиболее удачного варианта,
также будут показаны
результаты ряда других
вариантов оптимизации.
Параметр
Кронштейн
(BRACKET
05)
Результат
топологичес
кой
оптимизаци
и
Масса (г)
220
95
Уменьшение массы
относительно исходной
0%
56,8%
11

11.

Напряженно-деформированное состояние оптимизированного кронштейна
Свойства кронштейна для
оптимизации
Аналогичный тип
закрепления
Расчет будет включать:
1. Расчёт напряженно-деформированного состояния
исходной конструкции кронштейна (BRACKET 05)
звездного датчика.
2. Топологическая оптимизация кронштейна (BRACKET 05),
под действием выбранного уровня нагружений.
3. Расчёт прочности оптимизированного кронштейна
(BRACKET 05).
4. Тепловой расчет оптимизированного кронштейна
(BRACKET 05).
192 Гц - первая форма
Соответствует требованиям
собственные частоты
на
12

12.

Напряженно-деформированное состояние оптимизированного кронштейна
Расчёт
напряженно-деформированного
состояния
исходной
конструкции кронштейна (BRACKET 05) в составе сборки при ШСВ проведен
для всех трёх направлений вибрации адаптированной модели: X, Y и Z.
При моделировании ШСВ использованы следующие параметры:
модальное демпфирование 1.5% (для всех учитываемых мод);
Учитываются первые 5 форм (максимальная СЧК - Гц).
Расчетные уровни вибрации:
Полученные
максимальные
напряжения превышаю предел текучести,
однако это превышение возникает в зоне
отверстий, в зоне повышенной жесткости,
поэтому
при
анализе
результатов
необходимо исключить локальные зоны
вокруг отверстий. Сделаем прозрачными
области с напряжением меньше 169 МПа
(Напряжение с запасом прочности k=1.3)
13

13.

Напряженно-деформированное состояние оптимизированного кронштейна
Основной случай (масса кронштейна 95 г)
По результатам ограничения области повышенные напряжения
возникают только в областях вокруг отверстий, поэтому можно
считать, что данный кронштейн проходит проверку на ШСВ
Альтернативные случаи (масса кронштейна 80/70 г)
У представленных вариантов кронштейнов с меньшей массой
критические области значительнее больше. Эти области
возникают в зонах, где нет повышенной жесткости. Данные
варианты не проходят проверки на ШСВ.
14

14.

Тепловой расчет оптимизированного кронштейна
N
Компонент
Матер
иал
Покрыти
е
Плотн
ость
Удельная
теплоемкость,
Дж/(кг∙К)
2658
Коэффициент
теплопроводно
сти,
Вт/(м∙К)
190
1
Кронштейн
RS300
Хим. Окс
2
Звездный
датчик
АМГ 6
Хим. Окс
2770
188
921
905
Расчет будет включать:
1. Расчёт напряженно-деформированного состояния
исходной конструкции кронштейна (BRACKET 05)
звездного датчика.
2. Топологическая оптимизация кронштейна (BRACKET 05),
под действием выбранного уровня нагружений.
3. Расчёт прочности оптимизированного кронштейна
(BRACKET 05).
4. Тепловой расчет оптимизированного кронштейна
(BRACKET 05).
Излучение не учитывается ввиду
незначительного вклада в общее тепловое
взаимодействие ввиду небольших
температур и мощности тепловыделения
аппаратуры.
15

15.

Тепловой расчет оптимизированного кронштейна
1 вариант закрепления
2 вариант закрепления
Расчетный случай:
Рассмотрен один расчётный случай для
двух вариантов :
РС 1. Тепловыделение на поверхностях
установки звездного датчика: 3.5 Вт.
Излучение не моделируется.
16

16.

Тепловой расчет оптимизированного кронштейна
1 вариант закрепления
Максимальный
перепад
температуры: 12.94 K.
Термическое сопротивление на
прибор= 12.94 К / 3.5 Вт = 3.70 К/Вт.
В первом варианте реализации
термическое сопротивление выше
установленного верхнего порога в 2
К/Вт.
2 вариант закрепления
Максимальный
перепад
температуры: 5.7 K.
Термическое сопротивление на
прибор = 5.7 К / 3.5 Вт = 1.63 К/Вт. Во
втором
варианте
реализации
термическое сопротивление ниже
установленного верхнего порога в 2
К/Вт.
17

17.

Выводы
Оптимизированный кронштейн (BRACKET 05) удовлетворяет требованиям стойкости к ШСВ
(Запас прочности 1.3).
Первая СЧК сборки = 192 Гц. На основании требований к собственной частоте выборочность
оптимизированной конструкции достаточна.
Уменьшение толщин оптимизированного кронштейна не рекомендовано виду того, что это
может привести к неудовлетворению дополнительных требований по разработке деталей под
3D-печать металлом.
Термическое сопротивление без нанесения термопасты = 3.7 К/Вт – не соответствует
требованиям. Термическое сопротивление с нанесения термопасты в зону контакта кронштейнприбор
=
1.63
К/Вт
К/Вт.
Кронштейн
соответствует
требованиям
по
теплоотведению. Дополнительное нанесение покрытия обязательно. Решение о нанесении
покрытия должно быть принято исходя из технологических требований или требований
соседствующих приборов КА.
Суммарная возможная экономия массы на космический аппарат с 2-мя звездными датчиками
250 г, на блок космических аппаратов из 12 шт. – 3 кг.
Рассмотрение технологичности и подготовка кронштейна к печати будет рассмотрена уже в
дальнейшем в дипломной работе
18