Автореферат (Определение аэроупругих колебаний летательного аппарата, обусловленных вихреобразованием от порыва ветра на стартовой позиции), страница 3

Результатомприменения методики являются характеристики переходного режима,позволяющие исследовать влияние процессов вихреобразования на колебанияконструкции РКН под действием ветра.Рис. 1. Блок схема методикиМетодика решения связанной задачи аэрогидроупругости отличается тем,что позволяет:1.

Рассчитывать малые колебания упругого обтекаемого тела методом разложенияпо собственным формам колебаний. При этом формы колебаний должны бытьполучены на основе конечно-элементной модели любой сложности, в которойграница обтекаемого тела задана в виде непрерывной поверхности. Конечноэлементная модель может быть получена в любом известном пакете CAE.2. Рассчитывать обтекание деформируемого тела и определять аэродинамическиенагрузки лагранжевым бессеточным методом вихревых элементов, что даетвозможность решать задачу обтекания в безграничной расчетной области.3. Моделировать взаимодействие тела с потоком в случае, когда плотностьконструктивных элементов существенно больше плотности набегающей среды(воздуха).

Взаимодействие определяется потоком завихренности со всей поверхностиобтекаемого тела, который зависит от перемещения и скорости движения обтекаемойповерхности.4. Уменьшить время расчета за счет того, что вычислительные ресурсыиспользуются для расчета динамики вихревых элементов в спутном следе, числокоторых существенно меньше, чем число ячеек, необходимое для расчета задачисеточным методом.Третья глава посвящена применению разработанной методики ипрограммного комплекса для исследования задачи плоскопараллельногообтекания деформируемых профилей.

На Рис. 2 представлены примерырасчетных схем, использованных при расчетах обтекания кругового профиля.8абРис. 2. Расчетные схемы для кругового профиля с различным положениемзаделок: а) закрепление под углом 12°, б) закрепление под углом 112°Моделированиепроизводитсяприследующихдопущениях:упругодеформируемый профиль разбивается на участков. Распределениеузлов является равномерным по всей длине контура; каждый участок профиля представляет собой балочный конечный элемент, имеющий три степени свободыв каждом узле: растяжение , прогиб , угол поворота и обладающийпостоянной изгибной жесткостью по длине , равномерно распределеннойпостоянной погонной массой и длиной . Вид вихревых следов за кольцамив момент времени = для различных расчетных случаев показан на Рис.

3.Точками отмечены вихревые элементы.Рис. 3. Вид вихревых следов за профилями при = для разных случаев.В таблице 1 для каждого расчетного случая приведены установившиесязначение коэффициента лобового сопротивления. Случай обтеканиянедеформируемого кругового профиля отмечен как РС №0. Как видно изтаблицы 1, при увеличении жесткости кругового профиля коэффициентлобового сопротивления стремится к значению для абсолютно жесткогокругового профиля. При уменьшении жесткости коэффициент сопротивленияуменьшается от 10% до 20%, в зависимости от расчетного случая.

Это связано,по всей видимости, с изменением миделевого сечения деформированногокругового профиля, и с изменением условий вихреобразования на гладкойдеформируемой поверхности. В случае резонанса РС №3 коэффициентсопротивления оказывается на 20% ниже, чем у недеформируемого круговогопрофиля.9Таблица 1.РС0Sh(ω1)-Результаты задачи обтеканияCXaShyShx1,1960,210,410,2021,1660,2350,160,411,210,350,46YA0,1067ShA0,0200,0880,1660,2523,3071,080,810,08860,411,120,0630,2020,960,180,32050,0250,280,210,060,2146,3291,1960,00230,750,410,75Моделирование аэроупругих колебаний профиля в плоскопараллельномпотоке несжимаемой среды показало, что упругость профиля и условия егозакрепления оказывают значительное воздействие на условия формированиязавихренности и, как следствие, на характер пульсаций нестационарныхаэродинамических нагрузок, которые оказываются полигармоническими.

Вспектре пульсаций проявляются гармоники, пропорциональные суммам иразностям частот пульсаций подъемной силы и силы сопротивления, а такжепервой собственной частоты колебаний профиля.Обнаружено, что взаимосвязь между вихреобразованием и колебаниямипрофиля может оказывать существенное влияние на режим движения профиля.Например, если параметры упругого профиля настроены в резонанс с частотойсхода вихрей Кармана для абсолютно жесткого кругового профиля, то за счетизменения параметров вихреобразования возможна отстройка частотывынужденных колебаний от резонанса. В то же время у упругого профиля,изначально отстроенного от резонанса с частотой схода вихрей Кармана, можетвозникнуть режим автоколебаний.Четвертая глава посвящена применению разработанной методики ипрограммного комплекса для исследования задачи пространственного обтеканиядеформируемых тел. В качестве вихревого элемента использован симметричныйвортон-отрезок, предложенный в работах Г.А.

Щеглова и И.К. Марчевского. Дляпостроения конечно-элементной модели используется коммерческий пакет MSCPatran. Тело разбивается на оболочечных конечных элементов типа QUAD4.Считая аэродинамическую нагрузку постоянной в течение шага интегрированияуравнений аэродинамики, для определения обобщенных координат {q}используются аналитические формулы.Разработанный программный комплекс был протестирован намоделировании связанной задачи аэроупругости из эксперимента ГафуроваМ.Б., Ильгамова М.А. В ходе эксперимента стальная цилиндрическая оболочка,размещенная на движущейся тележке, двигалась в воде. Был проведен расчетметодом конечных элементов задачи статики оболочки, нагруженной давлением,10распределенным в соответствии с данными эксперимента. На Рис.

4квадратными маркерами показан результат расчета статики для двух значенийскорости среды. Прогибы среднего сечения оболочки, полученные вэксперименте показаны на Рис. 4 круговыми маркерами. Сравнениеперемещений точек среднего сечения, полученного после осреднения по 1000шагам интегрирования прогибов, найденных в результате решения связаннойзадачи (линии на Рис. 4), показывает хорошее совпадение с результатамиэксперимента и решением задачи статики.абРис.

4. Эпюры прогибов среднего сечения оболочки (увеличено в 1000 раз): точки– исходное сечение, квадраты – статический расчет, круги – эксперимент, линия –осредненное решение связанной задачи, а) V∞ = 0,9 м⁄с; б) V∞ = 4,0 м⁄сРассмотрена упрощенная упругая система, моделирующая РКН,установленная на стартовой позиции и связанная несколькими упругими связямис башней стартового комплекса, показанная на Рис. 5. На Рис.5 также приведенвид вихревых следов в различных сечениях по высоте. Маркеры ВЭ отмеченыточками.⃗∞ =⃗ )Рис.

5. Расчетная схема и вид вихревых следов при продольном обтекании (Две цилиндрические оболочки установлены на непроницаемом экране впотоке среды таким образом, что их оси в недеформированном состоянииперпендикулярны экрану. Нижний край каждой оболочки жестко заделан наэкране. Первая оболочка моделирует стационарную колонну (СК), втораяоболочка моделирует контейнер с ракетой космического назначения (РКН).Оболочки соединены между собой двумя парами линейно-упругих идеальныхсвязей с жесткостью . Каждая пара связей лежит в плоскости, параллельнойэкрану.

Поток несжимаемой среды движется в пространстве, ограниченном11непроницаемым экраном. Плоскость экрана совпадает с плоскостью декартовой неподвижной системы координат. Ось этой системы координатперпендикулярна экрану и направлена в область течения.На Рис. 6 показаны спектры вынуждающей силы и спектры откликаконструкции. Анализ результатов показывает, что при пространственномобтекании, как и при плоскопараллельном происходит изменение спектровпульсаций аэродинамических нагрузок для упругой конструкции по сравнениюс абсолютно жесткой.Предложенный подход для моделирования задач обтекания стартовыхсооружений и его дальнейшего исследования позволяет перейти к рассмотрениюзадачи обтекания прототипа РКН.A1.02 17 3DbodyF00U .txt3DbodyF00 .txtA1.00.80.80.60.60.40.40.20.2ба⃗∞ =V⃗ 1 ): а –Рис. 6.

Примеры результатов расчетов при продольном обтекании (Vспектр силы FX1 (1 – жесткая конструкция, 2 – упругая конструкция), б – спектротклика первой оболочки в точках с максимальной амплитудой перемещенийВ пятой главе проведено определение аэроупругих колебаний,обусловленных вихреобразованием от порыва ветра на стартовой позиции, дляконверсионной РКН, легкого класса «Рокот». В процессе проектированиякомплекса «Рокот» возникла проблема ограничения допустимой скорости ветрапри пуске из-за существенных колебаний ТПК с РКН. Значения критическихскоростей ветрового резонанса и галоппирования, рассчитанные понормативным методикам приближенно без учета особенностей формыобтекаемой поверхности дают значительные разбросы скорости ветра инуждаются в уточнении, которое проделано по новой методике.

Для оценкидинамики системы, нагруженной ветром в случаях подготовки к пуску и впроцессе пуска по существующим методикам по заказу ОКБ «Вымпел» быливыполнены расчетные исследования, на основании которых допустимаяскорость ветра для комплекса была снижена с 20 м/с до 12 м/с.Целью исследования являлось определение, с использованием новойметодики, опасных сочетаний скорости и направления кратковременного порываветра, при которых процессы интенсивного вихреобразования вызываютнарастание амплитуды колебаний элементов системы РКН-ТПК-СК.Рассматривалось воздействие на систему кратковременного порыва ветрас наименьшей длительностью 10,0 сек.

Введены допущения о постоянстве втечении порыва модуля скорости ветра направления ветра, а также допущение оступенчатом законе изменения скорости ветра во времени. При этом для0.00.0120.10.20.30.4Sh0.50.00.00.10.20.30.4Sh0.5обеспечения устойчивости счета в разработанной программе в начале порываскорость увеличивалась до максимальной за 10 шагов интегрирования.Поскольку рассматривалось влияние на аэроупругие колебания толькопроцессов вихреобразования поведение конструкции после прекращения порыване исследовалось.

В расчетах было учтено изменение модуля скорости ветра повысоте. Принято допущение, что распределение неизменно во времени искорость ограничена по модулю: до высоты 50 м профиль скоростисоответствует нормативному степенному закону (показатель степени 0.15), авыше 50 м скорость ветра постоянна. Указанное допущение необходимо длякорректного определения давления в потоке несжимаемой среды по формуле (4).Исходные данные для формирования модели РКН и СК были взяты изнаучно-технического отчета об ОКР “Доработка программного комплексаSADAS для расчетов сквозной динамической задачи “изделие-ТПК-СК” привоздействии механических, газодинамических, и температурных нагрузок”.Для определения опасных аэроупругих колебаний были произведенырасчеты в которых варьировались скорость и направление ветра. Диапазонизменения скорости ветра (от 8 м/с до 20 м/с).

Скорость в расчетах варьироваласьс шагом 1 м/с. Было рассмотрено пять направлений ветра, которые показаны наРис. 7а. Расчеты производились на персональном компьютере с 4-х ядернымпроцессором Intel I7 с тактовой частотой 3,2 ГГц. В зависимости от числа ВЭ ввихревом следе (от 40 до 60 тыс.) один расчет с использованиемраспараллеливания вычислений по технологии MPI занимал от 10 до 12 часов.V 20A1.00.50.02468t, с1068t, с100.5в1.0V 12абгA0.80.60.40.20.00.20.40.624Рис. 7. Ветровой резонанс РКН «Рокот» при ⃗V0 = ⃗V5 : а – направления ветра; б - формаколебаний 5-го тона; амплитуда колебаний при в – V0 = 20 м/с; г – V0 = 12 м/сПроведенный анализ вихревых следов показал, что даже при кратковременномпорыве ветра, имеющем постоянную скорости и направление за период действияпорыва ветра в спутный след успевает сойти около десяти крупных вихрей.Вследствие этого могут возникать опасные аэроупругие колебания с нарастающейамплитудой обусловленные процессами интенсивного вихреобразования.