Автореферат (Определение аэроупругих колебаний летательного аппарата, обусловленных вихреобразованием от порыва ветра на стартовой позиции)

На правах рукописиЕРМАКОВ АНДРЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОУПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ ЛЕТАТЕЛЬНОГОАППАРАТА, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЕМОТ ПОРЫВА ВЕТРА НА СТАРТОВОЙ ПОЗИЦИИСпециальность 05.07.03 – Прочность и тепловые режимы летательныхаппаратовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017РаботавыполненавФедеральномгосударственномбюджетномобразовательномучрежденииВысшегообразования«Московскийгосударственный технический университет им. Н.Э.

Баумана (национальныйисследовательский университет)»Научный руководитель:доктор технических наук, доцентЩеглов Георгий АлександровичОфициальные оппоненты:Желанников Александр Иванович,доктор технических наук, профессор, ЦАГИимени профессора Н.Е. Жуковского, г.Жуковский, Московская область, главныйнаучный сотрудник отделения «Аэродинамикаи динамика вертолетов, штопор и аэродинамикасамолетов на больших углах атаки»Веселов Михаил Владимирович,кандидат технических наук, доцент, ФилиалФГУП «ЦЭНКИ» - «Научно-исследовательскийинститут стартовых комплексов имени В.П.Бармина», г.

Москва, заместитель начальникарасчетно-теоретического отделаВедущая организация:Акционерное«Московскийг. Москваобществоинститут«Корпорациятеплотехники»,Защита состоится 26 октября 2017 г. в 14 час. 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.22 в Московском государственномтехническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, пер.Госпитальный, д. 10, ауд. 407м, корп. СМ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайтеwww.bmstu.ru МГТУ им. Н.Э. Баумана.Автореферат разослан «___» ___________ 2017 г.Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просьбанаправлять по адресу: 105005, г.

Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, стр. 1, МГТУим Н.Э. Баумана, диссертационный совет Д 212.141.22.Ученый секретарь диссертационного советак.т.н. доцентА.Ю. ЛуценкоОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. В настоящее время во всем мире и, в том числе, вРоссийской Федерации идет смена поколений ракет-носителей космическогоназначения (РКН). Обеспечение динамической прочности этих летательныхаппаратов (ЛА), представляет собой одну из важнейших задач, которая решаетсяна этапе проектирования. При этом, в связи с широким внедрением методовавтоматизированного проектирования, виртуальной разработки и испытанийизделий, актуальной задачей является разработка новых математическихмоделей внешних динамических нагрузок, методик их расчета исоответствующего программного обеспечения.Настоящая работа посвящена разработке методики моделирования одногоиз наиболее сложных видов динамических нагрузок – ветровых нагрузок,возникающих на этапе предстартовой подготовки РКН.

Параметры ветра вобщем случае являются нестационарными случайными величинами, которыесущественно изменяются по высоте и направлению. Интенсивноевихреобразование, возникающее при обтекании ветром РКН и находящихсявозле нее конструкций стартового комплекса, может вызывать опасныеаэроупругие явления: вихревой резонанс, галлопирование, бафтинг. Опасныенагрузки может вызывать не только продолжительный ветер, но и егократковременные порывы.Разработка высокопроизводительной методики расчета нестационарныхветровых нагрузок на РКН является актуальной не только для проектирования,но и для сопровождения пуска при эксплуатации ракет-носителей. Возможностьоперативного расчета отклика конструкции РКН в заданной конфигурации наветровое воздействие, измеренное непосредственно в районе стартовойплощадки позволит выдать обоснованное заключение о возможности пуска и,тем самым, повысить надежность и безопасность эксплуатации ракетнокосмического комплекса.Объектом исследования является ракета-носитель космическогоназначения на этапе предстартовой подготовки.Предметом исследования являются аэроупругие колебания РКН,вызванные вихреобразованием, порождаемым порывом ветра на стартовойпозиции.На основе анализа литературы можно сделать вывод о том, что задача,посвященная определению ветровых нагрузок на РКН, установленную настартовую позицию, исследуется достаточно давно.

Обзор работ по данной темеможно найти в фундаментальном труде Петрова К.П., который являетсяосновным открытым источником информации по данному вопросу на русскомязыке. Однако до настоящего времени в существующих отраслевых стандартахи нормах, ветровое воздействие представляется квазистационарным.Исследования, которые посвящены математическому моделированиюнелинейных нестационарных процессов, возникающих при воздействии ветра наРКН, таких как захват частоты, автоколебания, ветровой резонанс, при анализеоткрытых публикаций обнаружить не удалось.

В то же время известно1значительное количество работ по исследованию указанных явленийприменительно к строительным конструкциям: мостам, башням, и пр.Источником нестационарных нагрузок являются процессы интенсивноговихреобразования, возникающие при отрывном обтекании подобныхконструкций. Пренебрежение данными процессами при моделированиинагрузок может приводить к принципиально неверным результатам расчетадинамики и прочности конструкции летательного аппарата.В настоящее время мало экспериментальных данных, особенно в открытойлитературе, касающихся вопросов аэроупругого взаимодействия ракеты,стоящей на стартовой позиции с сооружениями стартового комплекса: башнейобслуживания или кабель мачтой, и в частности, с вихрями, которые с неесходят.

Данные исследования являются актуальными, поскольку башню,находящуюся рядом с РКН имеют стартовые комплексы большинствасуществующих и вновь разрабатываемых РКН.Актуальной задачей на сегодняшний день является не только проведениеэксперимента, который можно провести в аэродинамической трубе, но иразработка методик поддержки эксперимента, основанных на численноммоделированиипроцессовинтенсивноговихреобразованиявблизиупругодеформируемых поверхностей, необходимых для более полного описанияи анализа исследуемых процессов.Существующие программные комплексы (ANSYS Fluent, OpenFoam ит.д.), в которых реализованы сеточные методы вычислительной гидродинамики,позволяют решать данную задачу аэроупругости, но ценой очень больших затратмашинного времени. Использование имеющихся программных комплексовпрактически не позволяет решать задачу расчета параметров переходныхрежимов с учетом случайных разбросов факторов ветрового воздействияметодом Монте-Карло, поскольку расчет одной реализации занимает околоодной недели.Несмотря на бурный рост производительности вычислительных машин,суперкомпьютеров, на текущий день отсутствует возможность для решенияуравнений Навье-Стокса, которые описывают поведение жидкости или газа,прямым численным методом без каких-либо упрощений и осреднений.

Вкачестве альтернативы сеточным методам для задачи динамики несжимаемойсреды развиваются бессеточные лагранжевые вихревые методы, основанные намоделировании эволюции завихренности. Применение данных методов длярасчета аэродинамической нагрузки, действующей на РКН может датьзначительное сокращение времени счета, при приемлемой точности результатов,что особенно важно при проведении серий расчетов в процессе поискарациональных проектных решений, определения предельно допустимойскорости ветра, а также при учете случайного характера ветрового воздействия.Таким образом, несмотря на серьезный прогресс в использованиивиртуального моделирования и виртуальных испытаний, возросшем ростепроизводительности вычислительных комплексов, на сегодняшний деньотсутствует эффективная инженерная методика численного моделирования2процесса ветрового нагружения летательного аппарата, учитывающая связьпроцессов вихреобразования и колебаний конструкции.Целью диссертационной работы является определение параметроваэроупругих колебаний РКН, вызываемых вихреобразованием от порыва ветрана стартовой позиции.Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующихосновных задач:1.

Построение математической модели нестационарного ветровогонагружения РКН, установленной на непроницаемом экране, учитывающейвзаимосвязь между упругими деформациями конструкции и процессамивихреобразования.2. Разработка программного комплекса для расчета нестационарныхветровых нагрузок, действующих на РКН на этапе предстартовой подготовки, сучетом взаимовлияния вихреобразования при обтекании корпуса ракеты иэлементов стартового оборудования и упругих деформаций обтекаемойповерхности.3. Построение методики решения задачи в простейшем случаевзаимодействия упругодеформируемого профиля с плоскопараллельнымпотоком среды и оценка влияния процессов вихреобразования на параметрынагружения профиля.4.

Построение методики решения задачи в случае пространственногообтекания и сравнение результатов моделирования с известнымиэкспериментальными данными.5. Тестирование методики на модельной задаче с целью оценкивзаимовлияния вихреобразования и упругих деформаций обтекаемойповерхности на спектральные характеристики аэродинамической нагрузки.6.

Определение параметров аэроупругих колебаний для прототипа РКНлегкого класса.Научная новизна работы определяется использованием метода вихревыхэлементов для определения параметров аэроупругих колебаний РКН настартовой позиции, который ранее, насколько позволяет судить проведенныйобзор литературы, к подобным задачам не применялся. В работе авторомвпервые применительно к задаче о ветровом нагружении РКН использованановая модификация метода вихревых элементов, предложенная в работах Г.А.Щеглова и И.К. Марчевского, в которой для расчета полей скорости и давлениянесжимаемой среды применяется модель потока завихренности ЛайтхиллаЧорина и новый вихревой элемент – симметричный вортон-отрезок.Использование метода вихревых элементов, обладающего большойэффективностью расчета течений несжимаемой среды, позволило получитьследующие новые результаты, выносимые на защиту:1.Методика численного определения параметров нелинейныхнестационарных переходных режимов малых аэроупругих колебаний ракетыкосмического назначения, в которой используется новая модификация метода3вихревых элементов, что позволяет учесть влияние процессов вихреобразования,возникающих вследствие порыва ветра на стартовой позиции.2.Результаты численного моделирования аэроупругих колебанийпрофилей в плоскопараллельном потоке несжимаемой среды показывающие, чтовзаимосвязь между вихреобразованием и колебаниями профиля можетоказывать существенное влияние на спектр частот аэродинамической нагрузки,режим движения профиля.3.Результаты численного моделирования обтекания потокомнесжимаемой среды пространственных конструкций, установленных нанепроницаемом экране, показывающие что спектры нагрузок для упругойконструкции по сравнению с аналогичной абсолютно жесткой конструкциейсущественно меняются.4.Результаты численного моделирования аэроупругих колебанийпрототипа РКН «Рокот» на стартовой позиции, позволившие определитьопасные сочетания скорости и направления кратковременного порыва ветра, прикоторых процессы интенсивного вихреобразования вызывают нарастаниеамплитуды колебаний.Практическая значимость полученных результатов состоит в том, чторазработан программный комплекс, реализующий разработанные алгоритмырешения связанной задачи аэроупругости, в котором произведена интеграциякоммерческого пакета MSC Nastran, в части конечно-элементной модели, ссобственным программным обеспечением для расчета аэродинамическойнагрузки вихревым методом.