Siberian Aerospace JournalSiberian Aerospace JournalSiberian Aerospace JournalSiberian Aerospace JournalСибирский аэрокосмический журналSiberian Aerospace Journal2712-89702782-5760Reshetnev Siberian State University of Science and Technology67861010.31772/2712-8970-2025-26-1-94-106Section 2. Aviation and Space TechnologyРаздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техникаResearch ArticleBuckling and stiffness analysis of a composite anisogrid conical shell with a fixed small baseАнализ устойчивости и жесткости композитной сетчатой конической оболочки с закрепленным малым основаниемhttps://orcid.org/0009-0003-6384-3849NesterovVladimir A.НестеровВладимир Анатольевич
Russian Federation

Cand. Sc., Associate Professor

кандидат технических наук, доцент кафедры летательных аппаратов

nesterov@mail.sibsau.ruhttps://orcid.org/0009-0000-3507-8420NikishevAndrey A.НикишевАндрей Александрович
Russian Federation

Associate Professor

доцент кафедры летательных аппаратов

anikandrey26@gmail.comReshetnev Siberian State University of Science and TechnologyСибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева15032025261941061604202516042025Copyright ©; 2025, Nesterov V.A., Nikishev A.A.Copyright ©; 2025, Нестеров В.А., Никишев А.А.2025Nesterov V.A., Nikishev A.A.Нестеров В.А., Никишев А.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/678610

Power elements of structures in the form of structural anisogrid shells of rotation are often used in the production of rocket and space technology. This is due, first of all, to high specific mechanical properties of composites, which allow to manufacture structures with a high degree of weight perfection. In addition, they are quite technological, as the method of continuous winding of composite fibers used in their production is widespread and well developed. In recent years, close attention has been paid to the design of composite mesh structures.

An actual example of anisogrid cylindrical and conical shells is a spacecraft adapter for GLONASS satellites orbit launching, different variants of which are still produced in the workshops of Reshetnev JSC. The shells are of the same type, but differ in dimensions (diameters and lengths of cylindrical and conical parts) and bearing capacity. For composite elements of rocket-space technology it is characterized by the presence of a large list of variable parameters, the determination of the optimal combination of which every time results in a complex problem of scientific search.

An algorithm and a program for building a finite element model of anisogrid conical shells made by continuous winding of composite fiber have been developed. The small base is fixed and the large base is reinforced by a spandrel and loaded by concentrated forces and moments. Numerical investigation of stability, stiffness and stress-strain state of the structure under varying parameters of its mesh structure formation is carried out with the help of FE model.

Силовые элементы конструкций в виде конструктивных анизогридных оболочек вращения часто используются в производстве ракетно-космической техники (РКТ). Это обусловлено, прежде всего, высокими удельными механическими свойствами композитов, позволяющими изготавливать конструкции с высокой степенью весового совершенства. Кроме того, они достаточно технологичны, так как применяемый при их производстве метод непрерывной намотки композитных волокон широко распространен и хорошо отработан. Вопросам проектирования композитных сетчатых конструкций в последние годы уделяется пристальное внимание.

Актуальным примером анизогридных цилиндрических и конических оболочек является адаптер космических аппаратов для вывода на орбиту спутников системы ГЛОНАСС, различные варианты которых до сих пор производятся в цехах АО «Решетнёв». Оболочки однотипны, но отличаются по размерам (диаметрам и длинам цилиндрических и конических частей) и несущей способности. Для композитных элементов РКТ характерно наличие большого перечня варьируемых параметров, определение оптимального сочетания которых выливается каждый раз в комплексную задачу научного поиска.

Разработаны алгоритм и программа построения конечно-элементной (КЭ) модели анизогридных конических оболочек, изготавливаемых методом непрерывной намотки композитного волокна. Малое основание закреплено, а большое усилено шпангоутом и нагружено сосредоточенными усилиями и моментами. С помощью КЭ модели выполнено численное исследование устойчивости, жесткости и напряженно-деформированного состояния конструкции при варьировании параметров формирования ее сетчатой структуры.

anisogrid conical shellcomposite materialsFEMсетчатая коническая оболочкакомпозиционные материалыМКЭVasiliev V. V., Barynin V. A., Rasin A. F. Anisogrid lattice structures – survey of development and application. Composite Structures. 2001, Vol. 54, Iss. 2–3, P. 361–370.Vasiliev V. V., Barynin V. A., Rasin A. F. Anisogrid lattice structures – survey of development and application // Composite Structures. 2001. Vol. 54, Iss. 2–3. P. 361–370.Vasiliev V. V., Rasin A. F. Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications. Composite Structures. 2006, Vol. 76, Iss. 1–2, P. 182–189.Vasiliev V. V., Rasin A. F. Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications // Composite Structures. 2006. Vol. 76, Iss. 1–2. P. 182–189.Azarov A. V., Razin A. F. [Continuum model of a mesh composite structure]. Mekhanika kompozitsionnykh materialov I konstruktsiy. 2020, Vol. 26, No. 2, P. 269–280 (In Russ.).Азаров А. В., Разин А. Ф. Континуальная модель сетчатой композитной структуры // Механика композиционных материалов и конструкций. 2020. Т. 26, № 2. С. 269–280.Vasiliev V. V., Barynin V. A., Razin A. F. et al. [Anisogrid composite mesh structures – development and application to space technology]. Kompozity I nanostruktury. 2009, No. 2, P. 38–50 (In Russ.).Анизогридные композитные сетчатые конструкции – разработка и приложение к космической технике / В. В. Васильев, В. А. Барынин, А. Ф. Разин и др. // Композиты и наноструктуры. 2009. № 3. С. 38–50.Azarov A. V. [On the theory of mesh composite shells]. Mekhanika tverdogo tela. 2013, No. 1, P. 71–83 (In Russ.).Азаров А. В. К теории сетчатых композитных оболочек // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2013. № 1. С. 71–83.Azarov A. V. [Continuum model of composite mesh shells formed by a system of spiral ribs]. Kompozity I nanostruktury. 2015, Vol. 7, No. 3 (27), P. 151–161 (In Russ.).Азаров А. В. Континуальная модель композитных сетчатых оболочек, образованных системой спиральных ребер // Композиты и наноструктуры. 2015. Т. 7, № 3(27). С. 151–161.Azarov A. V. [The problem of designing aerospace mesh composite structures]. Mekhanika tverdogo tela. 2018, No. 4, P. 85–93 (In Russ.).Азаров А. В. Проблема проектирования аэрокосмических сетчатых композитных конструкций // Механика твердого тела. 2018. № 4. С. 85–93.Vasiliev V. V. [Optimal design of a composite mesh cylindrical shell loaded with external pressure]. Mekhanika tverdogo tela. 2020, No. 3, P. 5–11 (In Russ.).Васильев В. В. Оптимальное проектирование композитной сетчатой цилиндрической оболочки, нагруженной внешним давлением // Механика твердого тела. 2020. № 3. С. 5–11.Vasiliev V. V., Razin A. F., Azarov A. V. Kompozitnye setchatye konstruktsii – proektirovanie, raschet i izgotovlenie [Composite mesh structures – design, calculation and manufacturing]. Moscow, Innovatsionnoye mashinostroyeniye Publ., 2023, 448 p. (In Russ.).Васильев В. В., Разин А. Ф., Азаров А. В. Композитные сетчатые конструкции – проектирование, расчет и изготовление. М. : Инновационное машиностроение, 2023. 488 с.Vasiliev V. V., Barynin V. A., Rasin A. F. Anisogrid composite lattice structures – Development and aerospace applications. Composite Structures. 2012, Vol. 94, Iss. 3, P. 1117–1127.Vasiliev V. V., Barynin V. A., Rasin A. F. Anisogrid composite lattice structures – Development and aerospace applications // Composite Structures. 2012. Vol. 94, Iss. 3, P. 1117–1127.Khakhlenkova A. A., Lopatin A. V. [Review of adapter designs for modern spacecraft]. Kosmicheskiye apparaty I tekhnologii. 2018, Vol. 2, No. 3, P. 134–146 (In Russ.). DOI: 10.26732/2618-7957-2018-3-134-146.Хахленкова А. А., Лопатин А. В. Обзор конструкций адаптеров современных космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2018. Т. 2, № 3. С. 134–146. DOI: 10.26732/2618-7957-2018-3-134-146.Morozov E. V., Lopatin A. V., Nesterov V. A. Finite-element modelling and buckling analysis of anisogrid composite lattice cylindrical shells. Composite Structures. 2011, Vol. 93, Iss. 2, P. 308–323.Morozov E. V., Lopatin A. V., Nesterov V. A. Finite-element modelling and buckling analysis of anisogrid composite lattice cylindrical shells // Composite Structures. 2011. Vol. 93, Iss. 2. P. 308–323.Morozov E. V., Lopatin A. V., Nesterov V. A. Buckling analysis and design of anisogrid composite lattice conical shells. Composite Structures. 2011, Vol. 93, Iss. 12, P. 3150–3162.Morozov E. V., Lopatin A. V., Nesterov V. A. Buckling analysis and design of anisogrid composite lattice conical shells // Composite Structures. 2011. Vol. 93, Iss. 12. P. 3150–3162.Morozov E. V., Lopatin A. V., Nesterov V. A. Finite-element modeling and buckling analysis of anisogrid composite lattice cylindrical shells. IV European Conference on Computational Mechanics. Palais des Congres. Paris, France, May 16–21, 2010.Morozov E. V., Lopatin A. V., Nesterov V. A. Finite-element modeling and buckling analysis of anisogrid composite lattice cylindrical shells // IV European Conference on Computational Mechanics. Palais des Congres. Paris, France, May 16–21, 2010.