Диссертация (Расчетно-экспериментальные методы исследования прочности трансформируемых модулей орбитальных станций при воздействии осколочно-метеороидной среды), страница 9

В процессе расчетов изменялосьлибо расстояние между экранами, либо толщина экранов.ЭкраныЧастицаL1L2L3Рисунок 2.18 – Схема расчетаРазмер SPH-частицы для ударника и стенок составляет 0,5 мм. Такимобразом, при заданных геометрических размерах ударник и стенки содержат400–900 тысяч частиц.2.5.1 Влияние расстояния между экранами на энергетическиехарактеристики облакаБазовая схема расчета представлена на рисунке 2.19.

Наружные стенкиконструкции фиксированы, а положение внутренних изменяется от вариантак варианту.70Рисунок 2.19 – Базовая схема расчетаРасчеты проведены для 9 вариантов положения подвижных стенок наоснове базовой модели. В таблице 12 указаны расстояния L1 и L3 по оси Хдля первой и второй подвижных стенок, а также схематичные изображенияконструкций защиты при данных координатах.Таблица 12 – Варианты конструкции экранной защитыL1, мм1501L3, мм100250345678950100150На рисунке 2.20 приведены растровые изображения стадий пробитиярассмотренной конструкции.71Начальный момент времениПробитие первого экрана и образованиеоблака осколковПробитие второго экранаОблако осколков при подлете кзащищаемой гермооболочкеРисунок 2.20 – Бомбардировка ударником базовой конструкции экранной защитыГрафик зависимости суммарной кинетической энергии облака частицударника от времени приведен на рисунке 2.21.

Линиям разных цветовсоответствуютразличныевариантыкомпоновкиэкраннойзащиты(таблица 12).300012500Энергия, Дж2200031500451000650000,10780,110,110,120,12Время, мс0,130,130,140,149Рисунок 2.21 – График изменения суммарной кинетической энергии облака частицударника от времениВидно, что в течение некоторого начального времени кинетическаяэнергия ударника резко падает. Как правило, это связано с его соударением сэкранами. На рисунке 2.22 представлена диаграмма суммарной кинетическойэнергии облака частиц ударника на подлете к защищаемой гермооболочкепри различных вариантах расположения защитных слоев.72Энергия, Дж200010000123Варианты4расстановки5экранов6789Рисунок 2.22 – Диаграмма суммарной кинетической энергии облака частиц ударника приподлете к защищаемой гермооболочкеАнализируя диаграмму энергии, можно сделать вывод, что наиболееэффективной является конструкция экранной защиты № 9, так как при такойкомпоновке кинетическая энергия облака, достигающего защищаемойстенки, по сравнению с базовой схемой на 41,5 % меньше.

Это показывает,что эквидистантные схемы расстановки экранов не оптимальны, тогда каквыявленная схема расстановки экранов из № 9 почти вдвое снижает энергиювоздействия на защищаемую стенку.2.5.2Влияниетолщинслоевзащитысистемаравномернонаэнергетическиехарактеристики облакаРассматриваласьразнесенныхэкрановсизменяемым количеством слоев ткани в экранах при постоянной суммарноймассе на единицу поверхности (32 слоя ткани). Экран 4 из 4-х слоев ткани неучитывался в расчете, так он непосредственно примыкает к гермооболочке.Для выбора наилучшего распределения массы по слоям рассмотрены10 вариантов распределения слоев ткани по экранам многослойной защиты(таблица 13).73Таблица 13 – Варианты конструкций защиты при изменении количестваслоев ткани в экранах 1, 2 и 3Схема12345678910Количество слоевткани в 1 экране1616201212128888Количество слоевткани в 2 экране8448412128416Количество слоевткани в 3 экране4848124812164Приведены растровые изображения для схем № 3 и № 7 (рисунки 2.23 и 2.24соответственно).

В схеме № 3 реализовалось самая высокая энергия облакана подлете к защищаемой стенке, а в схеме № 7 – самая низкая израссмотренных вариантов.Начальный момент времениПробитие первого экрана и образованиеоблака осколковПробитие второго экранаОблако осколков при подлете кзащищаемой гермооболочкеРисунок 2.23 – Бомбардировка ударником конструкции экранной защиты для схемы № 374Начальный момент времениПробитие второго экранаПробитие первого экрана и образованиеоблака осколковОблако осколков при подлете к защищаемойгермооболочкеРисунок 2.24 – Бомбардировка ударником конструкции экранной защиты для схемы № 9Построен график зависимости суммарной кинетической энергии облакачастиц ударника от времени, изображенный на рисунке 2.25.

Линиям разныхцветов соответствуют различные варианты компоновки экранной защиты(таблица 13).400001350002Энергия, Дж3000032500042000051500061000075000800,0090,020,040,060,08Время, мс0,100,120,14Рисунок 2.25 – График изменения суммарной кинетической энергии облака частицударника от времени1075На рисунке 2.26 представлена диаграмма суммарной кинетическойэнергии облака частиц ударника на подлете к защищаемой гермооболочкепри различных вариантах расположения защитных слоев.Энергия, Дж200015001000500012345678Варианты распределения слоев ткани по экранам910Рисунок 2.26 – Диаграмма суммарной кинетической энергии облака частиц ударника приподлете к защищаемой стенкеАнализируя диаграмму (рисунок 2.26), можно сделать вывод, что,базовая схема (расчетный случай № 3) оказывается одной из самыхнеэффективных.

Наиболее эффективной является схема конструкцииэкранной защиты № 7 со следующим распределением слоев ткани(таблица 13): 1 экран – 8 слоев, 2 экран – 12 слоев, 3 экран – 8 слоев, скоростьчастицы на 88,2% ниже, чем у базовой схемы.2.5.3 Рекомендации по выбору структуры слоев встроеннойпротивоударнойзащитыдлягермооболочекперспективныхтрансформируемых модулей орбитальных станций1. Показано, что эквидистантные схемы расстановки экранов неоптимальны.

Рекомендуется увеличенное расстояние между лицевым ивторым экраном по сравнению с третьим экраном.2. Показано, что толщина лицевого экрана должна быть минимальнодостаточной для разрушения частицы и образования облака осколков, аосновную массу материала рекомендуется распределить по промежуточнымэкранам.762.6Результатырасчетапрочностизащищаемойстенкигазодержащей гермооболочки трансформируемого модуляВданномразделеприводятсярезультатырасчетапрочностизащищаемой стенки газодержащей гермооболочки трансформируемогомодуля.Примем допущение, что радиус b распределения импульса равенрадиусу прогиба мембраны а.Исходные данные:- импульс, приведенный к площади I0=590 Па∙с;- радиус прогиба мембраны а=0,075 м;- радиус распределения импульса b=0,075 м;- толщина эквивалентной однослойной оболочки h=5 мм;- эквивалентный модуль упругости Е=7,9∙1010 Па;- радиус модуля R=2,5 м;- давление в модуле Р=105 Па.Подставив исходные данные в (2.5), получим напряжения в мембране(рисунок 2.27).

Заметим, что окружные напряжения в периферийной частинагруженной области являются сжимающими. Это означает, что в этойобласти возможно сморщивание мембраны вследствие местной потериустойчивости. Этот эффект был отмечен и исследован В.И. Феодосьевым.1,2E+09Напряжения, Па9,0E+086,0E+08Радиальноенапряжение3,0E+080,0E+00Угловоенапряжение-3,0E+08-6,0E+08-9,0E+08-1,2E+090,00,20,40,6Координата, м0,81,0Рисунок 2.27 – Напряжения в мембранеДеформации в мембране представлены на рисунке 2.28.771,5Деформация, %1Радиальнаядеформация0,50Угловая деформация-0,5-1-1,50,00,20,40,60,8Координата, м1,0Рисунок 2.28 – Деформации в мембранеПолучим график максимальной деформации в мембране от начальногоприведенного импульса и сравним с предельной деформацией дляарамидных волокон ткани СВМ (рисунок 2.29).Деформация, %543Деформация, %2Предельная деформация1005001000150020002500Приведеный импульс, кг/(м*с)Рисунок 2.29 – Максимальная деформация в мембране от начального приведенногоимпульса max(I0)Предел прочности для арамидных волокон ткани СВМ составляет 4ГПа (таблица 4), соответственно коэффициент запаса для рассмотренноговида нагрузок (2.14) равен 3,79.Расчеты и испытания на удар имитаторов метеороидных и техногенныхчастиц фрагментов корпуса многослойного трансформируемого модуля РКК«Энергия» совстроеннойэкраннойзащитойпоказали возможностьобеспечения прочности внутренней надувной герметичной оболочки приударе компактной алюминиевой частицей диаметром 10,3 мм со скоростьюдо 7 км/с.78ГЛАВА 3 МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯПРОЧНОСТИСИСПОЛЬЗОВАНИЕМВЗРЫВНОГОМЕТАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВАВданнойглавепредставленырезультатыразработкиметодаэкспериментального исследования прочности с использованием взрывногометательного устройства (ВМУ) для отработки прочности защитных экрановкосмических аппаратов.

Исследовано влияние конструктивных параметровустройства на скорость и характер метаемого элемента. Учитываятехнологическиеусловияпроизводстваустройства,выбранытеконструктивные параметры, которые могут варьироваться в процессесерийного производства устройства в практически необходимом количестве.Исследовано влияние следующих конструктивных параметров: материалформирователя, тип ВВ, способ инициирования (точечный, кольцевой),диаметркольцаинициирования,формирователе, длинагабаритныеразмерыдиаметрцилиндрическойустройства,кумулятивнойчаститолщинавыемкикумулятивнойформирователя,ввыемки,толщинапрокладки между зарядом ВВ и формирователем. Представлены результатырасчетов вариантов отсечки низкоскоростной части струи [41, 42, 46].Изложены результаты разработки инженерной методики расчетаконструктивных параметров ВМУ, построенной на основе обработкисистематических численных расчетов с использованием регрессионныхмоделей [43].3.1 Постановка задачи и методика численного моделированияВМУВМУ (рисунок 3.1) представляет собой заряд взрывчатого вещества(ВВ), заключенный в стальном корпусе с биметаллическим формирователем,имеющим кумулятивную выемку «полусфера-цилиндр».

Инициированиепроисходит двумя способами: точечная детонация в центре и кольцеваядетонация по внешней поверхности заряда. Ввиду сложности процессаформированияизкумулятивнойструикомпактнойчастицы,поиск79рациональной схемы ВМУ проводился в сочетании экспериментальногоисследованиясчисленныммоделировалсянаосновемоделированиемуравненийдинамикипроцесса.сплошнойПроцесссредысиспользованием программного комплекса ANSYS/AUTODYN [114, 105].Свойства материалов (уравнение состояния и условия прочности иразрушения) подбирались, исходя из экспериментально известных данных[115]. Расчеты проводились в двумерной постановке, используя комбинациюэйлеровой и лагражевой схемы. В эйлеровой области шириной 50 мм идлиной 80 мм задается взрывчатое вещество и материал формирователя свыемкой«полусфера-цилиндр», в лагранжевой области–элементыустройства. Толщина корпуса (сталь) – 1,5 мм, длина – 50 мм.