Введение к работе
Объектом исследования являются конструктивные элементы балочного типа со сложной геометрией, используемые в оптико-механических и других прецизионных приборах космического базирования.
Предметом исследования являются математические модели с распределенными параметрами, описывающие упругие и малые упруго-пластические деформации балочных элементов для основных этапов жизненного цикла космических приборов и сводящиеся к краевым задачам для систем обыкновенных дифференциальных уравнений четвертого порядка по пространственной координате.
Актуальность темы.
Диссертационная работа посвящена комплексному анализу функционирования конструктивных элементов балочного типа в оптико-механических и других прецизионных приборах космического базирования при эксплуатационных нагрузках в целях выбора и оптимизации их механических параметров с учетом удовлетворения заданным требованиям на основных этапах жизненного цикла таких приборов.
Повышение точности прецизионных космических приборов и оптических систем наблюдения связано с необходимостью одновременного учета и анализа все большего количества внешних факторов. При этом кроме основных факторов на этапе летной эксплуатации прибора, приходится дополнительно учитывать факторы, характеризующие этапы наземных испытаний и вывода прибора на орбиту. На этапе вывода на орбиту они определяют в основном прочностные требования и диапазон допустимой разъюстировки прибора перед началом его функционирования. Их выбор обычно осуществляется в компромиссе с минимизацией общего веса прибора (вследствие высокой стоимости доставки грузов на орбиту). Наземная имитация стартовых перегрузок и условий летной эксплуатации на испытательных стендах также связана единой идеологией с отмеченными этапами жизненного цикла с целью установления степени ее адекватности.
4 Общая тенденция к созданию жестких и прочных космических конструкций приводит к увеличению количества используемых в них элементов стержневого и балочного типа, допускающих описание их деформаций в рамках дифференциального уравнения упругой линии балки.
Достижение высокой точности космических оптических систем наблюдения зависит от достижения высокой эффективности функционирования большого количества их элементов. Необходимость последовательного уменьшения и исключения все большего количества возмущающих факторов, вносимых этими элементами, приводит к возрастанию сложности проектирования таких систем. При этом возрастает и "ответственность" каждого элемента за общее качество прибора.
Выбор механических параметров таких элементов прецизионных приборов должен производиться на основе комплексного анализа их функционирования в течение всего жизненного цикла. Неучет какого-либо фактора на ранних этапах проектирования прибора в дальнейшем может привести к необходимости изменения всего его конструктивного исполнения.
Среди основных задач предварительного анализа можно выделить следующие: на этапе наземных испытаний - согласование с параметрами теплового режима, подготовка статических и виброиспытаний, анализ поведения прибора при разгрузке от силы тяжести и др.; на этапе вывода на орбиту - анализ величин статических и кратковременных динамических напряжений, определение запаса по допустимым микропластическим деформациям и др.; на этапе летной эксплуатации - анализ допустимости микроколебаний посадочных мест прибора, его термодеформаций, расчет деформаций при разгрузке от силы тяжести и др.
В современных условиях большинство из перечисленных разнородных задач в принципе могут быть решены по отдельности с помощью сертифицированных программных продуктов 3D/CAE конечно-элементного анализа. Однако чрезмерно большое количество конструктивных параметров в детализированной 3D модели затрудняет понимание общих закономерностей их взаимосвязи.
Кроме этого усложняется одновременный анализ всех перечисленных задач, а также решение задачи комплексной оптимизации (вследствие сложности ее реализации и возможности появления большого количества локальных экстремумов). В этом случае представляется более предпочтительным'ввести предварительный этап комплексного анализа и оптимизации на более упрощенных моделях, отражающих определяющие зависимости и пренебрегающих второстепенными. В таких моделях использование идеологии теории подобия позволяет большинство конструктивных параметров связать друг с другом аналитически через безразмерные критерии подобия. В результате комплексный анализ и оптимизация могут быть проведены по значительно меньшему количеству критериев подобия в сравнении с количеством исходных конструктивных параметров элементов прецизионного прибора.
Целью работы является научно обоснованный выбор единой математической модели для комплексного анализа и оптимизации механических параметров конструктивных элементов балочного типа в прецизионных (включая оптико-механические) космических приборах с учетом отличающихся условий ігх функционирования на основных этапах жизненного цикла.
Для этого решались следующие задачи:
создание математических моделей для исследования поведения элементов балочного типа при статических, динамических и тепловых нагрузках, при изгибных и совместных изгибно-крутильных колебаниях, а также с учетом малых пластических деформаций;
разработка алгоритмов и программ решения уравнений для указанных моделей;
определение напряжений при статических и динамических стартовых пе-зегрузках;
оценка влияния разгрузки от силы тяжести на деформации консольного ілемента;
определение собственных частот и форм колебаний, построение ампли-удных и фазовых частотных характеристик;
оценка температурных деформаций;
оптимизация конструктивных параметров элементов оптических приборов, выбор критериев оптимизации, идентификация параметров с помощью моделей более высокого уровня.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на методах теории упругости и пластичности, теории колебаний, математического моделирования, на разработке пакетов прикладных программ с привлечением соответствующего математического аппарата и вычислительной техники.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена тестовыми расчетами простейших конструктивных элементов балочного типа, для которых имеются точные аналитические решения. Математические модели, использованные в работе, основаны на фундаментальных положениях механики, известных теоретических исследованиях. Компьютерные программы отлажены на корректных тестовых примерах. Для более сложных конструктивных элементов балочного типа выполнен сравнительный анализ с помощью сертифицированной 3D/CAE системы.
На защиту выносятся методика и результаты исследования методами математического моделирования конструктивных элементов балочного типа прецизионных космических приборов на основных этапах жизненного цикла, в том числе:
единая математическая модель для проведения комплексного анализа и оптимизации механических параметров сложных конструктивных элементов балочного типа на основных этапах функционирования космических оптико-механических приборов;
методика компьютерного моделирования сложных конструктивных элементов балочного типа с учетом отличающихся условий их функционирования на основных этапах жизненного цикла космических приборов;
методика понижения размерности задачи комплексной оптимизации механических параметров конструктивных элементов балочного типа для всего
7 жизненного цикла космических приборов путем выделения определяющих безразмерных критериев подобия;
- результаты комплексного анализа и оптимизации конструктивных параметров консольного кронштейна макета оптико-механического блока камеры поля космического телескопа.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными численными исследованиями параметров оптико-механического блока камеры поля космического телескопа при основных условиях его функционирования в течение жизненного цикла, в ходе которых составлена математическая модель, проведено компьютерное моделирование и выполнена идентификация параметров модели.
Практическая ценность. Представленная модель и ее компьютерная реализация позволяют решать широкий круг задач комплексного анализа и оптимизации механических параметров конструктивных элементов балочного типа прецизионных приборов космического базирования.
С ее помощью проведен комплексный анализ и частотная оптимизация определяющих конструктивных параметров оптико-механического блока камеры поля космического телескопа. Работа выполнялась в соответствии с планом хоздоговорных работ Научно-технического центра "Восход" в области космического приборостроения. Результаты работы использованы при выборе конструктивных параметров макета оптико-механического блока камеры поля.
Апробация работы. Отдельные результаты и законченные этапы работы докладывались и обсуждались на XXXI научно-технической конференции Иж-ГТУ (г. Ижевск, 15-17 апреля 1998г.); научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2000" (г. Пермь, 12-14 апреля 2000г.); научно-техническом семинаре кафедры «Аппаратостроение» ИжГТУ; тучном семинаре "Автоматизация и системы управления сложного физико-гехнического эксперимента" физико-технического института УрО РАН; НТС іаучно-технического центра «Восход».
Публикации. Результаты работы отражены в 8 научных публикациях: 3 тезисах научно-технических конференций и 5 статьях (1 в печати).
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 118с. машинописного текста.
В работу включены 36 рис., 4 табл. и список литературы из 94 наименований.