Диссертация (Численное моделирование виброударного нагружения конструкций на стендах взрывного действия при имитации нагрузок от срабатывания пиротехнических средств разделения), страница 3

Для определения параметров, используемых в модели и вфизическом законе горения, предложен метод идентификации неизвестныхпараметров, используемых в уравнении состояния, по известным энергетическими геометрическим справочным характеристикам пороха.Для физического обоснования предложенной валидации модели горенияпороха проведено численное моделирование метания алюминиевой частицы напороховой баллистической установке. Приведены результаты валидации моделина основе сравнения зависимости давления от времени в камере БУ и скоростиударника на выходе из ствола, полученных расчетным и экспериментальнымпутем. Применительно к устройству локального нагружения (УЛН) в случае12использования индустриальных патронов Д1–Д4 получены зависимости скоростиударника - подвижного штока от времени.Втретьейглавепредставленырезультатычисленногоиэкспериментального моделирования виброударного нагружения фрагмента бакаРН, имитирующего срабатывание пиротехнических средств разделения, на основепрограммного комплекса ABAQUS Explicit с использованием исходных данныхпо скоростям ударника – подвижного штока, полученных в главе 2.

Дляобоснования расчетной методики проведены эксперименты по определениюуровней виброускорений на внутренней стороне обечайки под местом удара.Полученные в первой части главы 3 параметры виброускорений использовалиськак исходные данные для моделирования виброударного нагружения наоболочечную конечно-элементную модель (КЭМ) бака РН. Для валидацииметодики использованы экспериментальные данные, полученные при испытанииконструкции на ударное воздействие.В четвертой главе рассмотрено моделирование взрывных нагружающихустройств, применяемых в стационарных стендах. Основными элементами этихустройств являются специально подбираемые заряды взрывчатого вещества (ВВ)и демпферы, предназначенные для формирования воздействия на объектиспытаний. Задачами моделирования является определение удельного импульса изакона изменения силы во времени, действующих на нагружаемую поверхностьстенда.

С использованием программных пакетов ABAQUS Explicit и ANSYSAutodyn проведено:- моделирование демпферов и свойств используемых материалов (резина,вспененный полистирол);- моделирование режимов работы типового взрывного нагружающегоустройства при различных массах ВВ.Экспериментально обоснована возможность использования разработанныхмоделей для методики моделирования испытательных виброударных режимовнагружения.13В пятой главе изложена методика прогнозирования виброударныхрежимов на стационарном стенде взрывного действия с использованием моделейимпульсногонагружающегоустройства.КЭМстендаразработанасиспользованием программного пакета ABAQUS Standart. Исследовано влияниеиспользования различных типовых конечных элементов в КЭМ стенда.

Дляверификации и валидации модели стенда использован метод частотного анализаконструкции. С использованием построенной модели стенда проведена сериячисленных расчетов для различных вариантов нагружения. Изложены результатыэкспериментальногостационарнымисследованиявиброударнымрежимовстендомнагружения,взрывногодействия.реализуемыхПриведенырезультаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных с точкизрения воспроизведения виброударных нагрузок, нормированных по спектруудара.14ГЛАВА 1.

АНАЛИЗ ЗАДАЧ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИЭЛЕМЕНТОВ РКТ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ВИБРОУДАРНЫХ НАГРУЗОК1.1. Источники виброударных нагрузокИзделия РКТ испытывают воздействия ударных нагрузок на различныхэтапах своего жизненного цикла Ударные нагрузки преимущественно возникаютна этапах выведения изделий и функционировании на орбите, в космосе, вследствии разделения ступеней РН, раскрытии и отделении головного обтекателяи космического аппарата [1,5,6,7].Для обеспечения надежности создаваемых изделий РКТ предусмотрена ихполная наземная экспериментальная отработка (НЭО). Экспериментальнаяотработка предусматривает как автономные испытания отдельных элементовконструкции и бортового оборудования, так и комплексные испытания систем икрупномасштабных опытных сборок, а на заключительных этапах отработкипредусмотрены зачетные и летные испытания опытных образцов изделий [8].

Припроведении автономных и зачетных испытаний изделий воспроизводимые настендах режимы нагружения, в соответствии с требованиями государственных иотраслевыхстандартов,должныимитироватьрасчетныенагрузки,соответствующие эксплуатационным, умноженным на принятый коэффициентбезопасности.Пиротехнические устройства широко применяются в ракетно-космическойтехнике в качестве основных элементов систем разделения ступеней РН,воспламенения топлива, перекрытия магистралей горючего и окислителядвигательных установок, отделения головного обтекателя, разгонного блока,космических аппаратов, расчековки и раскрытия панелей солнечных батарей иантенн [9]. Источником энергии систем разделения являются заряды ВВ и/илипороховыенавески,инициированиекоторыхприводиткразрушениюмеханических связей и, как следствие, к динамическому локальному воздействиюна конструкцию импульсной нагрузки [6].

Результатом такого динамическоговоздействия на начальной (волновой) фазе является распространяющийся по15конструкциибыстропротекающийзатухающийпереходнойпроцессдеформирования, характеризующийся высокими частотами и амплитудами волннапряжений. После волновой фазы в конструкции возбуждаются собственныечастоты элементов и систем. В ряде случаев, данное воздействие можетсопровождаться составляющими от волн разгрузки, возникающими при снятиинагрузки предварительно напряженных узлов связи разделяющихся элементовконструкции [10].

Воздействие от срабатывания пироустройств отличается отдругих типов механического воздействия тем, что величины ускорения, скоростии перемещения центра масс незначительны по сравнению с нагружением припосадке, стыковке, нестационарных режимах работы двигательных установок.Воздействия нагрузок от пиротехники, как правило, редко сопровождаютсязначительными повреждениями или разрушениями несущей конструкции, однакомогут быть причиной отказов и/или разрушения электронных, оптических,механических элементов приборов и бортового оборудования [11].При срабатывании пиросредств возникает ударная нагрузка, наиболееинтенсивнаявзонеблизлежащихэлементовконструкции,вызывающаявысокочастотные колебания, которые могут привести к ложному срабатываниюрелейных контактов, оказать существенное влияние на работу аппаратуры инарушить их функционирование или даже привести к разрушению элементовконструкции.

Вследствие виброперегрузок, возникающих при срабатываниипиросредств, возможно прохождение ложных команд управления, приводящих кпрекращению нормального функционирования КА. Например, в [12] сообщается,что 85 аварий произошло вследствие выхода из строя бортовых систем присрабатывании пиротехнических средств разделения и только 3 аварии из-завибрационных нагрузок. В настоящее время имеет место тенденция ксущественномуувеличениюколичествапиротехническихустройств,применяемых на современных изделиях РКТ. Так, например, на РН «Сатурн»использовалось ~ 150 пиросредств, на многоразовых транспортных системах типа«Шатл» уже более 400 [13].

Системы разделения активно применяются и впроцессе всего жизненного цикла спутников, например, спутники связи в16процессе своей эксплуатации могут подвергаться виброударным воздействиям до50 раз [14].1.2. Задачи испытаний на виброударК основным задачам экспериментальной отработки относятся следующиевиды испытаний:- автономные прочностные испытания приборов и оборудования придействии нормативных ударных режимов нагружения;- функциональные испытания штатных систем разделения в составеопытных сборок;- зачетные ударные испытания крупногабаритных динамических макетовнатурного изделия.1.2.1.

Автономные испытанияК автономным испытаниям относятся испытания бортовых приборов или ихгабаритно-массовых макетов с штатными узлами креплениями и массойаппаратуры не более 20–50 кг. Данный вид испытаний имеет целью в первуюочередьподтверждениетребованийпостойкостиифункционированиюоборудования. Помимо этого, полученные при испытаниях данные позволяютуточнить требования к элементной базе оборудования, определить (принеобходимости) параметры демпферов и прокладок для снижения ударноговоздействия,атакжеоптимизироватьместакрепленияиориентациюрадиоэлектронных компонентов в пространстве.Основной проблемой при проведении автономных испытаний являетсяотсутствие в настоящее время общепринятых методов и средств имитациинормированных виброударных нагрузок от пиротехнических систем разделениядля обеспечения квалификационных испытаний оборудования на прочность истойкость. Требования существующих нормативных документов содержать рядпротиворечивых положений.

Например, при проведении испытаний на ударныенагрузки от пиросредств допускается проводить зачетные квалификационныеиспытания с использованием штатных пиросистем, т.е. с коэффициентом17безопасности, равным единице. Это противоречит ряду других нормативныхдокументов и вызывает определенные трудности при принятии решений одостаточности наземной экспериментальной отработки изделий РКТ.1.2.2. Функциональные испытания в составе опытных сборокК функциональным испытаниям относятся испытания бортовых систем наподтверждение устойчивости их функционирования в условиях виброударноговоздействия. Основное внимание при этом уделяется проверке работоспособностиоборудования,атакжеанализусостоянияэлектронныхкомпонентовоборудования и элементов печатных плат.