Автореферат (Численное моделирование виброударного нагружения конструкций на стендах взрывного действия при имитации нагрузок от срабатывания пиротехнических средств разделения)

№ХХХХХХНа правах рукописиКомаров Илья СергеевичЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРОУДАРНОГО НАГРУЖЕНИЯКОНСТРУКЦИЙ НА СТЕНДАХ ВЗРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИИМИТАЦИИ НАГРУЗОК ОТ СРАБАТЫВАНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХСРЕДСТВ РАЗДЕЛЕНИЯСпециальность 01.02.06 – «Динамика, прочность машин, приборов иаппаратуры»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена в федеральном государственномпредприятии«Центральныйнаучно-исследовательскиймашиностроения» (ФГУП ЦНИИмаш).унитарноминститутНаучный руководитель:доктор технических наукФельдштейн Валерий АдольфовичОфициальные оппоненты:БорзыхСергейВасильевич,доктортехнических наук, профессор, начальник отделаоткрытого акционерного общества «Ракетнокосмическаякорпорация«Энергия»им.С.П.Королева»;Чепрунова Александра Александровича,кандидат технических наук, ведущий научныйсотрудник Федерального государственногоказенного учреждения 12 Центральный научноисследовательский институт Министерстваобороны Российской Федерации.Ведущая организация:КонструкторскоеБюро«Салют»Федерального государственного унитарногопредприятия «Государственный космическийнаучно-производственный центр имени М.В.Хруничева», г.

Москва.Защита состоится «27» апреля 2016 года в 1500 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.05, созданного на базе Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета), взале заседаний Ученого совета МАИ по адресу: 125993, г. Москва, А-80,ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеФГБОУВО«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательский университет)» и на сайтеhttp://www.mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=63951Автореферат разослан «___» _______ 2016 года.Учёный секретарьдиссертационного советаФедотенков Г.В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Важной составляющей комплекснойпрограммы наземной экспериментальной отработки изделий ракетно-космическойтехники (РКТ) являются автономные испытания бортового оборудования навоздействие виброударных нагрузок от срабатывания пиротехнических средствразделения.

При разделении ступеней ракеты-носителя (РН), отделения головногообтекателя, раскрытии солнечных батарей срабатывание пиротехническихустройств сопровождается воздействием на изделие локального интенсивногократковременногонагружения,разрушениеммеханическихсвязейираспространениемпоконструкциибыстрозатухающейволныдеформации/ускорения. Виброударные процессы носят локальный характер,отличаются высокой интенсивностью и широким частотным спектром. Они неприводят к изменению скорости центра масс РН или космического аппарата (КА), и,как правило, безопасны для конструкции в целом.

Однако динамические перегрузкинегативно воздействуют на электронные компоненты бортового оборудования испособствуют нарушению режима их функционирования, что может привести квозникновению нештатных или аварийных ситуаций.Вопросы отработки бортовой аппаратуры изделий РКТ на широкополосныевиброударные нагрузки, вызванные срабатыванием штатных пиротехническихсредств разделения в составе РН и космических аппаратов (КА), получили активноеразвитие, начиная с 80-х годов ХХ века.Развитие этого направления в России связано с именами Л.Н.Александровской, В.Е.

Баранова, Г.С. Батуева, М.Д. Генкина, А.Ю. Захарова, В.Б.Карпушина, В.И. Комарова, В.И. Круглова, О.В. Кузнецова, А.Ю. Мельниковой,А.Г. Леви, В.С. Пеллинеца, О.С. Покровского, С.Г. Субботина, А.Д. Судомоева,М.Ф. Токарева, К.В. Фролова и др. Среди зарубежных авторов следует особоотметить работы Н.Т. Дэви, В.И. Бэйтмана, А.Г. Пирсола, С.М.

Харриса, Д. Дилана,С. Кириенко, Е. Филлипи.Несмотря на активный интерес к данной проблеме, до сих пор не существуетединого подхода к отработке виброударной прочности. Это связано снеобходимостью воспроизведения режимов нагружения в амплитудно-частотныхдиапазонах от 0,1 до 10 кГц, от 100 до 5000 g, что требует разработки и внедренияспециализированных стендов взрывного действия, так как такие стенды серийно невыпускаются ни в России, ни за рубежом. Применяемые в практике взрывныеустройства и стенды являются уникальными и для своего использования нуждаютсяв отработке испытательных режимов, что представляет собой сложную итрудоемкую задачу, которая до настоящего времени решалась эмпирически ценойпроведения большого объема отладочных испытаний.

Одним из путей решения этойзадачи и совершенствования методов прочностных испытаний является внедрение впрактику наземной отработки изделий РКТ математического моделирования, что, всвою очередь, требует создания научно-методической базы численногомоделирования виброударного нагружения конструкций на стендах взрывногодействия.3Степень разработанности темы. В настоящее время в России и за рубежомсоздан ряд уникальных испытательных установок и стендов взрывного действия,реализующих виброударные нагрузки в частотном диапазоне от 0,1 до 10 кГц, приинтенсивности от 100 до 5000 g.

Первые работы, посвященные попыткамчисленного моделирования виброударных процессов, относящиеся к 2005-2015г.г.,были выполнены за рубежом и относились к установкам простейшего типа“взрывной источник энергии – упругая плита-резонатор”. Отечественныеисследования виброударных стендов взрывного действия ограничиваются расчетомрабочих параметров испытательных устройств с использованием приближенныхинженерных подходов. Попытки численного моделирования работы виброударногонагружения на взрывных стендах отсутствуют, тогда как численный анализрежимов нагружения при статическом и вибрационном нагружении получилсущественно широкое распространение.Цель диссертационной работы:- совершенствование прочностной отработки изделий ракетно-космическойтехники путем внедрения численного моделирования в практику наземнойимитации виброударного нагружения от срабатывания пиротехнических средствразделения с использованием стационарных виброударных стендов и устройствлокального нагружения взрывного действия.Задачи диссертационной работы:- разработка методик численного моделирования виброударных нагрузок наконструкции и бортовое оборудование ракет-носителей и космических аппаратовпри их воспроизведении с помощью стационарных виброударных стендов иустройств локального нагружения взрывного действия;- экспериментальное обоснование использования методик численногомоделирования для прогнозирования испытательных режимов, реализуемых спомощью стационарных виброударных стендов и мобильных устройств взрывногодействия применительно к отработке прочности и проверке функционированиябортовых систем ракет-носителей и космических аппаратов.Научная новизна работы:- впервые разработана и экспериментально обоснована методика расчетапараметров нагрузок, создаваемых пороховыми зарядами в устройствах локальноговиброударного нагружения, на основе предложенного способа идентификациипараметров, используемых в уравнении состояния пороха, по известнымэнергетическим и геометрическим характеристикам;- впервые разработана и экспериментально обоснована методика расчетапараметров ударных нагрузок, реализуемых виброударными стендами взрывногодействия, при использовании зарядов взрывчатого вещества с демпфирующимиэлементами;- впервые разработана и экспериментально обоснована методика численногомоделирования и прогнозирования испытательных режимов, реализуемыхустройствами локального нагружения и стационарными стендами взрывногодействия, при отработке прочности конструкций и бортового оборудования ракет4носителей и космических аппаратов на воздействие виброударных нагрузок отсрабатывания пиротехнических средств разделения.Теоретическая и практическая значимость работы:- результаты выполненных исследований позволили разработать методикичисленного моделирования виброударных нагрузок на конструкции и бортовоеоборудование ракет-носителей и космических аппаратов при их воспроизведении спомощью стационарных виброударных стендов и устройств локального нагружениявзрывного действия.- использование методик на практике сократит затраты на проведениеотладочныхиспытаний,повыситдостоверностьиинформативностьэкспериментальных результатов.

Методики могут быть использованы приразработке нормативных требований по виброударной прочности изделий РКТ.- результаты работы, приведенные в диссертации, применяются в настоящеевремя и будут использованы в дальнейшем для проведения испытаний изделийразработки ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», ОАО «РКК «Энергия», АО «ГРЦМакеева», ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики», ФГУП «ГКНПЦ имениМ.В. Хруничева», АО «Корпорация «МИТ» и других предприятий ракетнокосмической промышленности.Методология и методы исследований. В работе использованы:- численные методы решения задач динамики сплошной среды, использующиеуравнения состояния материалов при высокоинтенсивном ударно-волновомнагружении, теоретические основы горения порохов и детонации взрывчатыхвеществ;- экспериментальные методы создания виброударных нагрузок сиспользованием взрывных источников энергии;- методы регистрации, обработки и анализа параметров быстропротекающихпроцессов (ускорения, скорости, давления).Положения, выносимые на защиту:- методики и экспериментальное обоснование численного моделированиянагрузок, реализуемых испытательными устройствами локального нагружения приотработке прочности конструкций и бортового оборудования ракет-носителей икосмических аппаратов на воздействие виброударных нагрузок от срабатыванияпиротехнических средств разделения;- методики и экспериментальное обоснование численного моделированиянагрузок, реализуемых стационарными виброударными стендами взрывногодействия, при отработке прочности конструкций и бортового оборудования ракетносителей и космических аппаратов на воздействие виброударных нагрузок отсрабатывания пиротехнических средств разделения.Степень достоверности и апробация результатов.