RESEARCHING OF PROBLEMS OF OPTIMUM DESIGN OF COMPOSITE SPACE TRUSS STRUCTURES

Full Text

Введение. В изделиях ракетно-космической техники ферменные конструкции занимают очень важное место. Отличительная особенность таких конструкций от других конструктивно-силовых схем - возможность закрепления навесного оборудования практически в любой точке конструкции [1-3]. Преимущества данного типа конструкций можно продемонстрировать на примере конструкции негерметичного отсека научно-энергетического модуля МКС (рис. 1) [4]. Данный отсек представляет собой ферменную многосекционную конструкцию, на которой устанавливается значительное количество различного навесного оборудования, такого как панели радиаторов, солнечные батареи с механизмом их трансформации, аккумуляторные батареи, топливные баки, компрессоры, баллоны высокого давления, двигатели, арматура и др. При проектировании данной конструкции в качестве конструкционных материалов рассматривались алюминиевые сплавы и сталь. Из них изготовлены фитинги, стержни, крепежные элементы, различные бобышки для крепления навесного оборудования, кронштейны и т. д. Идея использования композитных материалов в ферменных многосекционных конструкциях выглядит очевидной, однако она сопряжена со многими трудностями, связанными как со сложной технологией изготовления деталей и их сборкой, так и с необходимостью постановки и исследования задач оптимального проектирования. При проектировании композитных конструкций проведение оптимизации является важной задачей, поскольку без ее проведения преимущества композитов могут быть сведены на нет из-за неудачного армирования или несовершенного закрепления композитных элементов. Данная работа посвящена исследованию этих задач. Первая задача. Первой задачей, которую необходимо решить, является задача разработки алгоритма расчета оптимальных геометрических характеристик ферменной конструкции - количество секций в продольном и в окружном направлении (рис. 2). В результате работы алгоритма должна быть спроектирована конструкция, на которой будет возможным закрепление требуемого количества навесного оборудования [5]. В ферменных конструкциях стержни соединяются с помощью соединительных узлов. Эти узлы, с одной стороны, могут являться местами крепления навесного оборудования и необходимы при сборке крупногабаритной конструкции. С другой стороны, они утяжеляют конструкцию и усложняют процесс ее изготовления. Как следствие, конструкция должна обладать оптимальным количеством соединительных узлов, которое определяется количеством секций. Вторая задача. Помимо варьирования геометрических параметров конструкции важным является решение задачи об оптимальном проектировании стержней. Сюда включается определение диаметра и толщины стержня, а также его схемы армирования - количество слоев и их углов армирования [6; 7]. Очевидно, что для достижения равнопрочности в ферменной конструкции каждый стержень должен иметь свои значения этих структурных параметров. Технологически это нецелесообразно, в частности, в силу того, что это приведет к необходимости разработки большого количества разных соединительных узлов. Поэтому возникает задача определения оптимального количества групп стержней с одинаковыми характеристиками. Третья задача. И, наконец, третья задача - оптимальное проектирование соединительного узла. Металлический соединительный узел является составным и выполняется фрезерованием двух или нескольких металлических заготовок с дальнейшей сборкой с помощью болтов и штифтов. Типовой металлический соединительный узел представлен на рис. 3. Такой узел обладает значительной массой. С целью уменьшения массы конструкции выглядит логичным исследование возможности использования композитных материалов в конструкции соединительного узла [8; 9]. Рис. 1. Модель негерметичного отсека научно-энергетического модуля МКС Рис. 2. Ферменная многосекционная конструкция I:\РЕШЕТНЕВ\узел.JPGI:\РЕШЕТНЕВ\узел2.JPG Рис. 3. Металлический соединительный узел Одна из распространенных конструктивно-силовых схем соединения композитных стержней показана на рис. 4: композитный стержень 1 соединяется с металлической законцовкой 2 с помощью клеевого или клеемеханического соединения (рис. 4). Далее законцовка 2 соединяется с металлическим соединительным узлом 3 с помощью сварки. Так как при сварке законцовка значительно нагревается, возникает вероятность разрушения клеевого соединения законцовки со стержнем. Поэтому необходимо удлинение законцовки с целью отдаления зоны клеевого соединения от зоны сварки, что приводит к увеличению массы законцовки. Все это приводит к тому, что массовая доля металлических деталей в таком варианте исполнения соединения остается значительной. Таким образом, возникает необходимость проектирования оптимального соединительного узла, в котором отсутствовали бы металлические детали. Варианты исполнения композитного соединительного узла без металлической законцовки. В данной работе представлены проекты двух композитных соединительных узлов. Первый вариант представлен на рис. 5. Он состоит из композитных стержней, соединяемых композитными накладками. При сборке многосекционной конструкции стержни выставляются на оснастке, после чего охватываются композитными накладками. На поверхности накладок и стержней наносится клей холодного отверждения, после чего накладки зажимаются струбцинами в зонах между стержнями [10]. В результате образуется многосекционная ферменная композитная конструкция. Второй вариант композитного соединительного узла изображен на рис. 6. Он состоит их центральных узлов 1, вклеенных в него вертикальных стержней 2 и диагональных стержней 3. Центральные узлы соединяются с горизонтальными стержнями 4 и композитной вставкой 5 при помощи болтового соединения, реализованного с помощью втулок 6 в центральных узлах и в горизонтальных стержнях. C:\Users\Natalya\Desktop\Безымянный.png Рис. 4. Вариант исполнения соединения композитного стержня с металлическим соединительным узлом с помощью законцовки I:\РЕШЕТНЕВ\3.JPGI:\РЕШЕТНЕВ\2.JPGI:\РЕШЕТНЕВ\1.JPG Рис. 5. Вариант исполнения композитного соединительного узла с накладками Рис. 6. Вариант исполнения композитного соединительного узла с болтовым соединением Таким способом изготавливаются отдельные секции, соединяемые между собой болтами. Сравнение предложенных вариантов. Оба предложенных варианта имеют как преимущества, так и недостатки. К преимуществам первого типа соединительного узла стоит отнести относительно малую массу и отработанную технологию изготовления. Недостатками являются: - необходимость сборки всей фермы на одной оснастке, что может быть трудновыполнимо при изготовлении крупногабаритной фермы сложной геометрии; также стоит учесть, что это приведет к определенным трудностям при транспортировке такой конструкции в полностью собранном состоянии до места запуска; - отсутствует возможность крепления навесного оборудования к узлу. Второй тип соединительного узла обладает несколько меньшей массой, чем первый тип, но является технологически более сложно реализуемым. При этом он обладает следующими преимуществами: - так как при использовании данного типа узла изготавливаются секции, которые в дальнейшем собираются с помощью болтового соединения, эти секции могут быть доставлены по отдельности и собраны незадолго до запуска; - внутренние поверхности вставки 5 могут быть использованы в качестве мест крепления навесного оборудования, что является значительным преимуществом данного типа узла. Моделирование напряженно-деформированного состояния узлов. С целью анализа прочностных и жесткостных характеристик узлов было проведено конечно-элементное моделирование нагружения этих узлов. Нагрузки на соединительный узел были получены при помощи моделирования нагружения общей балочной конечно-элементной модели ферменного отсека [11; 12]. В данной модели все стержни моделировались балочными элементами. Все стержни обладают толщиной 2 мм, круглые стержни имеют диаметр 50 мм. Высота и ширина сечения квадратных стержней также 50 мм. Угол армирования 0° относительно оси стержня. Соединительный узел моделировался с помощью трех пружин, направленных по трем линейным степеням свободы. Жесткость пружин принималась 107 Н/м. При таких параметрах стержней масса композитного соединительного узла первого типа - 1,27 кг, узла второго типа - 1,56 кг, масса металлического соединительного узла - 5,92 кг. Наиболее опасным расчетным случаем при изготовлении и эксплуатации крупногабаритных ферменных конструкций изделий РКТ, как правило, является случай разделения ступеней при выведении. К модели прикладывалось воздействие, соответствующее данному расчетному случаю. Распределение нормальных напряжений в стержнях представлено на рис. 7. В результате расчета были определены значения узловых сил и моментов в стержнях в области наиболее нагруженного узла. Полученные значения силовых факторов использовались для более подробного моделирования нагружения соединительного узла. Конечно-элементные модели соединительных узлов первого и второго типа с приложенными силовыми факторами представлены на рис. 8. Анализ прочности композитных вариантов был выполнен в модуле Ansys Composite PrePost. Контакт между элементами конструкции задавался типа BONDED, т. е. элементы жестко «склеены» между собой. Для вариантов с композитным соединительным узлом в качестве конструкционного материала была принята углеткань УТ-900, а для металлического варианта - алюминиевый сплав АМг-6. В качестве первого приближения при сопоставлении двух композитных вариантов как друг с другом, так и с металлическим аналогом моделирование было проведено в линейной постановке как для металла, так и для композита. Анализ прочности соединительных узлов. Напряжения для первого и второго типов соединительных узлов из композитных материалов, а также для исходного металлического соединительного узла, представлены на рис. 9-11. На рис. 9, 10 для композитных соединительных узлов надписями max и min выделены области, в которых напряжения в различных направлениях превышают соответствующие пределы прочности. Рис. 7. Нормальные напряжения в стержнях (Па) Рис. 8. Конечно-элементные модели композитных соединительных узлов первого и второго типа с приложенными силовыми факторами а min max min max б min max min max в Рис. 9. Напряжения в первом типе композитного соединительного узла (Па): а - нормальные напряжения в направлении вдоль оси укладки; б - нормальные напряжения в направлении поперек оси укладки; в - сдвиговые напряжения Из полученных результатов видно, что при данных значениях структурных параметров соединительные узлы из композитных материалов, в отличие от металлического узла, обладают запасами прочности, меньшими единицы. Однако стоит учесть ряд факторов, позволяющих утверждать, что композитные соединительные узлы могут не уступать металлическому аналогу по прочностным свойствам. Во-первых, данный расчет для композитных вариантов проводился для накладок и стержней толщиной 2 мм. Очевидно, что достижение большей прочности соединения и при этом уменьшение массы возможно за счет оптимального распределения материала по узлу. К примеру, в случае рассмотрения напряженно-деформированного состояния узла первого типа видно, что ребра между стержнями значительно недогружены, что позволяет профилировать геометрию и толщину ребра таким образом, чтобы соединение было ближе к равнопрочному. С другой стороны, в области концентрации напряжений между диагональными и горизонтальным стержнями возможно наложение дополнительных слоев для локального упрочнения данной области. Данный подход справедлив и для второго типа соединительного узла. min max min max а min max min max б min max min max в Рис. 10. Напряжения во втором типе композитного соединительного узла (Па): а - нормальные напряжения в направлении вдоль оси укладки; б - нормальные напряжения в направлении поперек оси укладки; в - сдвиговые напряжения I:\Красноярск\узел_мет_напряжения1.PNG I:\Красноярск\узел_мет_напряжения2.PNG Рис. 11. Эквивалентные напряжения в металлическом соединительном узле (Па) Во-вторых, при рассмотрении напряженно-деформированного состояния композитного соединительного узла второго типа видно, что максимальные напряжения значительно превышают предел прочности. Однако данные напряжения сосредоточены в достаточно малой области конструкции. В основном это связано с локальным изгибом элементов конструкции, чего можно избежать путем незначительного изменения конструкции, к примеру, путем добавления дополнительных ребер в местах изгиба. В-третьих, стоит учитывать, что после разрушения матрицы композита возможна дальнейшая работа соединения. Таким образом, реальный запас прочности композитного соединения будет определяться в большей мере нормальными напряжениями, чем сдвиговыми [13-15]. Также стоит учесть, что разрушение композита имеет многостадийный характер. При моделировании разрушения композитного соединительного узла с учетом многостадийного характера разрушения будут получены запасы прочности, превосходящие те, что были получены при линейном расчете. Таким образом, можно утверждать, что предложенные типы соединительных узлов могут быть использованы при проектировании многосекционных ферменных композитных конструкций. Заключение. Многосекционные ферменные конструкции являются сложными объектами для проектирования. Использование композитных материалов, несмотря на дополнительные трудности, позволит значительно улучшить их массовые, прочностные и жесткостные характеристики. Для оптимального проектирования этих конструкций требуется решение ряда задач. Некоторые из них были проанализированы в данной работе. Первой задачей является создание алгоритма определения оптимального количества секций. Вторая задача - задача оптимального проектирования стержней и определения оптимального количества групп стержней с одинаковыми характеристиками. Третья задача заключается в оптимальном проектировании соединительного узла и проработке методов проектирования композитных соединительных узлов. Исследование прочности композитных соединительных узлов при многостадийном разрушении композита и определение уточненных коэффициентов запаса прочности - это предмет дальнейших исследований.

About the authors

V. N. Zimin

Bauman Moscow State Technical University

5/1, Baumanskaya 2-ya Str., Moscow, 105005, Russian Federation

A. A. Smerdov

Rocket space corporation “Energia”

Email: alexsmerdov@mail.ru
4a, Lenina Str., Korolyov, 141070, Russian Federation

References

Supplementary files