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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНСТВОФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ«ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ»Инв. №ХХХХХХНа правах рукописиКомаров Илья СергеевичЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРОУДАРНОГОНАГРУЖЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ НА СТЕНДАХ ВЗРЫВНОГОДЕЙСТВИЯ ПРИ ИМИТАЦИИ НАГРУЗОК ОТ СРАБАТЫВАНИЯПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ РАЗДЕЛЕНИЯСпециальность 01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наукФельдштейн В.А.Королев – 20152ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................

5ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАДАЧ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИЭЛЕМЕНТОВ РКТ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ВИБРОУДАРНЫХ НАГРУЗОК ........... 141.1. Источники виброударных нагрузок ................................................................. 141.2. Задачи испытаний на виброудар....................................................................... 161.2.1. Автономные испытания..............................................................................

161.2.2. Функциональные испытания в составе опытных сборок ....................... 171.2.3. Испытания крупногабаритных изделий.................................................... 191.3. Количественное описание и прогнозирование предельных значенийамплитуды виброударного нагружения .................................................................. 191.3.1.

Ударный спектр виброударной нагрузки ................................................. 191.3.2. Требования к проведению испытаний на виброударное нагружение ... 221.3.3. Метод нормальных толерантных пределов .............................................. 271.3.4. Метод статистического бутстрэпа ............................................................. 281.3.5. Метод численного моделирования ............................................................ 291.4. Экспериментальные средства отработки на виброударные нагрузки ..........

311.4.1. Требования к испытательному оборудованию ........................................ 311.4.2. Стенды взрывного действия....................................................................... 311.4.3. Устройства локального нагружения ......................................................... 35ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХРЕЖИМОВ УСТРОЙСТВА ЛОКАЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ ................................ 372.1. Модель горения пороха ..................................................................................... 382.1.1. Образование пороховых газов ................................................................... 382.1.2. Расчетные соотношения для определения исходных данных моделигорения ...................................................................................................................

422.1.3. Определение исходных данных модели горения для пороха................. 452.2. Численное моделирование процесса горения ................................................. 482.3. Определение исходных данных модели горения для патронов Д1-Д4 ........ 522.4. Расчет скорости ударника для устройства локального нагружения ............. 55ГЛАВА 3.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРОУДАРНОГОНАГРУЖЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТРОЙСТВ ЛОКАЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ ................ 573.1. Численное моделирование ударного нагружения фрагмента конструкции 573.1.1. Модели материалов ..................................................................................... 583.1.2.

Метод решения ............................................................................................ 6133.1.3. Построение математической модели фрагмента конструкции .............. 633.1.4. Результаты численного расчета ударной нагрузки ................................. 653.2. Численное моделирования виброударного нагружения конструкции ......... 673.2.1.

Метод решения ............................................................................................ 683.2.2. Построение математической модели типовой конструкции .................. 683.2.3. Результаты численного моделирования виброударного нагружениятиповой конструкции ............................................................................................ 713.3. Экспериментальная отработка устройства локального нагружения ............ 72ГЛАВА 4.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЖАЮЩЕГОУСТРОЙСТВА СТАЦИОНАРНОГО ВИБРОУДАРНОГО СТЕНДА..................... 754.1. Исходные данные для численного расчета нагрузки от взрывного источника..................................................................................................................................... 754.1.1.

Уравнение состояния ВВ ............................................................................ 764.1.2. Уравнение состояние резины ..................................................................... 764.1.3. Уравнение состояния пористых материалов ............................................ 784.1.4. Уравнение состояние стали ........................................................................ 814.2. Численное моделирование ударно-волнового нагружения пакетаматериалов ................................................................................................................. 814.2.1. Метод решения ............................................................................................

834.2.2. Верификация методики численного моделирования .............................. 844.2.3. Валидация результатов численного моделирования ............................... 884.3. Расчет типового взрывного устройства для стационарного стенда.............. 94ГЛАВА 5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОГОВИБРОУДАРНОГО СТЕНДА ВЗРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ................................... 1015.1.

Динамическая схема стенда ............................................................................ 1015.2. Модальный анализ виброударного стенда .................................................... 1045.3. Численное моделирование виброударного нагружения .............................. 1105.3.1. Метод решения .......................................................................................... 1115.3.3. Соединительные элементы....................................................................... 1145.3.5. Средства регистрации виброударного ускорения .................................

1195.4. Результаты численного моделирования ........................................................ 120ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 131СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................... 1344СПИСОК СОКРАЩЕНИЙБА−бортовая аппаратураВВ–взрывчатое веществоБУ–баллистическая установкаКА–космический аппаратКЭМ–конечно-элементная модельМПН–максимальное поле нагрузокНТП–нормальные толерантные пределыНЭО–наземная экспериментальная отработкаОИ−объект испытанийРКТ–ракетно-космическая техникаРН−ракета-носительСР−средства разделенияСИ−система измеренийУВ−ударная волнаУЛН–устройство локального нагруженияУС–ударный спектрЭКВ–электрический капсюль-воспламенительESA–European Space AgencyNASA–National Aeronautics and Space AdministrationSPH–smoothed particle hydrodynamics (метод сглаженных частиц)5ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияВажнойсоставляющейкомплекснойпрограммыэкспериментальнойотработки изделий ракетно-космической техники (РКТ) является их отработка навиброударныенагрузкиотсрабатыванияпиротехническихустройствисопутствующих с ними переходными процессами, возникающими, например, приразделении ступеней ракеты-носителя (РН), отделения головного обтекателя,запуска и остановки работы двигателей и т.д.

Срабатывание пиротехническихустройств сопровождается разрушением механических связей в конструкцияхракеты-носителя или космического аппарата и распространением по конструкциибыстрозатухающей волны деформации. Аналогичный процесс может возникнутьи при разрыве механических стягивающих устройств, например, бандажных лент.Раскрытиепоследнихэквивалентносбросунагрузки,котораясоздаетпредварительно напряженное состояние на объекте.Вопросы отработки бортовой аппаратуры изделий РКТ на широкополосныевиброударные нагрузки, вызванные срабатыванием штатных пиротехническихсредств разделения (СР) в составе РН и космических аппаратов (КА), получилиактивное развитие в 80-х годах ХХ века.

Это было обусловлено качественнымизменениемэлементнойбазы,расширениемноменклатурыэлектронныхкомпонент в изделиях РКТ, требующих отработки на прочность и стабильностьфункционирования в условиях воздействия виброударных нагрузок.Следует отметить, что указанные нагрузки носят локальный характер, неприводят к изменению скорости центра масс РН или КА, и, как правило,безопасны для конструкции в целом.

Однако динамические перегрузки могутпривести к преждевременному срабатыванию, замыканию, выходу из строя,физическому повреждению электронных компонент и систем, находящихся внепосредственной близости от СР и, как следствие, привести к аварийнойситуации [9].6Значительный вклад в вопрос обеспечения защиты и проведения испытанийбортовой аппаратуры (БА) на виброударные нагрузки внесли представителиотечественных академических институтов и ведущих конструкторских бюроотрасли и связаны 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.[1, 5, 7, 8, 16, 34]. Активная работа по указанному направлению ведется и взарубежных испытательных центрах следует особо отметить работы Н.Т. Дэви,В.И.

Бэйтмана, А.Г. Пирсола, С.М. Харриса, Д. Дилана, С. Кириенко, Е. Филлипи.[6, 9, 13, 14, 25, 30, 33].Несмотря на активный интерес к данной проблеме, до сих пор несуществует единого подхода к отработке виброударной прочности БА. Этосвязано с необходимостью разработки и внедрения специализированных стендов,воспроизводящих режимы нагружения в требуемых амплитудно-частотныхдиапазонах от 0,1 до 10 кГц, от 100 до 5000 g; такие стенды серийно невыпускаются ни в России, ни за рубежом [2,3,4]. Применяемые в практикевзрывныеустройстваистендыявляютсяуникальнымиидлясвоегоиспользования нуждаются в специальной отработке испытательных режимов, чтопредставляет собой сложную и трудоемкую задачу, которая до настоящеговремени решалась эмпирически ценой большого объема отладочных испытаний.Одним из путей решения этой задачи является внедрение в практику наземнойотработкиизделийРКТматематическогомоделирования,однакоэтосдерживается отсутствием научно-методической базы. Поэтому разработкаметодик численного моделирования виброударного нагружения конструкций настендахвзрывногопиротехническихдействиясредствприимитацииразделенияявляетсянагрузокотактуальнойсрабатываниядляракетно-космической техники.Степень разработанности темы.