Автореферат (1025493), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Разработанная методика определения внешнихветровых нагрузок с помощь созданного программного комплекса позволяетэффективно, с малыми затратами времени, проводить численные исследованиясвязанных задач аэроупругости с использованием конечно-элементных моделей,построенных в широко распространенном коммерческом пакете MSC Nastran.Результаты работы внедрены в ВПК «НПО Машиностроения» в рамках темы«Фундамент».Достоверность и обоснованность результатов, представленных вдиссертации,обеспеченаиспользованиемпроверенныхчисленныхматематических методов, сертифицированным программным комплексом МКЭ,апробацией разработанных алгоритмов и программного комплекса в серияхвычислительных экспериментов, а также сравнением результатов с известнымиэкспериментальными данными и расчетами других авторов.Диссертация является составной частью фундаментальных исследований,проведенных в рамках гранта РФФИ (проект №11-08-00699-а).Апробация работы.
Материалы настоящей диссертационной работыдокладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международныйсимпозиум «Методы дискретных особенностей в задачах математическойфизики» (Херсон, 2011, 2013); Международная научная конференция«Аэрокосмические технологии», (Москва-Реутов, 2012); Международнаямолодежная научная конференция «Гагаринские чтения» (Москва, 2012, 2014);Международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы4механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.
Горшкова (Москва, 2012,2014); VI Международный конгресс «European Congress on ComputationalMethods in Applied Sciences and Engineering» (Вена, 2012); Международныйавиационно-космическийнаучно-гуманитарныйсеминарим.С.М.Белоцерковского (Москва, 2012, 2013, 2017); Всероссийская конференциямолодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва,2013, 2014); IV Международная научная конференция «Ракетно-космическаятехника: фундаментальные и прикладные проблемы» (Москва, 2013); IIIМеждународная научно-техническая конференция, посвященной 100-летию содня рождения академика В.Н.
Челомея (Москва, 2014); XI международныйконгресс «World Congress on Computational Mechanics» (Барселона, 2014); XIVМеждународная конференция «Высокопроизводительные параллельныевычисления на кластерных системах» (Пермь, 2014); ХXXIX Академическиечтения по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королёва(Москва, 2015); VIII Всероссийская конференция «Необратимые процессы вприроде и технике» (Москва, 2015); XII Всероссийская научно-техническаяконференция «Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е.Жуковского» (Москва, 2015); XI Всероссийский съезд по теоретической иприкладной механике.
(Казань, 2015); III научно-техническая конференция«Динамика и прочность конструкций аэрогидроупругих систем. Численныеметоды» (Москва, 2015); Научно-техническая конференция «Прочностьконструкций летательных аппаратов» (Жуковский, 2016).Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 4 научныхработах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, и 15трудах и тезисах докладов Международных и Всероссийских конференций.Основные результаты содержатся в работах [1, 5, 12, 18].Личный вклад соискателя. Соискателем разработана математическаямодель, описывающая взаимосвязь нелинейного нестационарного процессавихреобразования при пространственном обтекании порывом ветра системы РКНбашня стартового комплекса, с малыми колебаниями элементов указаннойсистемы.
Разработаны методика алгоритм и программный комплекс для решениясвязанной задачи аэроупругости РКН на стартовой позиции. Проведены сериивычислительных экспериментов и проведена обработка результатов расчетов. Изсовместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, которыйнепосредственно принадлежит соискателю.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит извведения, 5 глав, основных выводов, списка литературы.
Диссертация изложенана 165 страницах, содержит 75 иллюстраций, 19 таблиц. Список литературывключает 140 наименований (в том числе 36 на иностранных языках)).СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приводится общая характеристика работы: даетсяобоснование актуальности работы, сформулированы цель и задачи работы,научная новизна, практическая значимость работы, основные положения,выносимые на защиту, и описана структура диссертации.5В первой главе на основании обзора литературы по ветровомунагружению ракет-носителей на стартовой позиции и ветровому нагружениюзданий и сооружений, а также на основании обзора методов вычислительнойгидродинамики сделан вывод о том, что существующие подходы к расчетуветровой нагрузки на РКН, установленную на стартовой позиции: нормативный,экспериментальный, эмпирический и вычислительный не позволяютэффективно моделировать нелинейные аэроупругие явления, обусловленныепроцессами интенсивного вихреобразования. Для вариантного анализапроектных параметров и вычислительного сопровождения пуска РКН требуетсяразработка новых высокоэффективных расчетных методик анализанестационарных переходных режимов колебаний, вызванных воздействиемветра.
Среди численных методов CFD и FSI для расчета нестационарныхаэроупругих колебаний конструкций наиболее эффективными являются новыемодификации бессеточных вихревых методы. Однако публикаций, посвященныхих приложению к задачам ветрового воздействия на РКН в литературеобнаружить не удалось.Во второй главе работы рассмотрена методика расчета нестационарныхветровых нагрузок, действующих на упругодеформируемый летательныйаппарат, с учетом вихреобразования на податливой обтекаемой поверхности.Рассматривается обтекание деформируемого тела потоком идеальнойнесжимаемой среды с постоянной скоростью ⃗V∞ и плотностью ρ∞ . Областьтечения S считается безграничной и возмущается только телом.
Вязкость средыν учитывается только вблизи поверхности тела как причина генерациизавихренности. Определяются аэродинамические нагрузки (p), действующиена тело со стороны потока. Считается, что под действием данных нагрузоксистема совершает малые колебания и ее уравнения движения могут бытьзаписаны в обобщенных координатах. Математическая модель обтеканиядеформируемого тела описывается связанной задачей аэроупругости:⃗ =0div V⃗∂Vp⃗ ∙ ∇)V⃗ = −∇ ( ) + ν∇2 ⃗V(1)+ (V∂tρ∞{[M]{q̈ } + [k]{q̇ } + [C]{q} = {G(p)}⃗⃗⃗⃗0 (r), {q(t 0 )} = {q0 }, {q̇ (t 0 )} = {q̇ 0 }-начальные условия ⃗V(t 0 ) = V- граничное условие “на бесконечности” lim ⃗V(r, t) = ⃗V∞ , lim p(r, t) = p∞⃗r→∞⃗r→∞- граничное условие “на теле” (условие прилипания) ⃗V(r, t) = ⃗⃗⃗⃗V ({q}, {q̇ }) при r ∈ K,где {q} – вектор обобщенных координат, [M], [C], [k] – матрицы масс, жесткостии демпфирования, ⃗V, p - поля скоростей и давления в среде, K({q}) –деформируемая поверхность обтекаемого тела.Для перехода от системы уравнений, содержащей уравнения в частныхпроизводных (1), к системе обыкновенных дифференциальных уравненийиспользуется метод вихревых элементов (МВЭ).
Поле завихренностипредставляется в виде суперпозиции элементарных полей завихренности,6называемых вихревыми элементами (ВЭ). Система обыкновенныхдифференциальных уравнений относительно обобщённых координатколебательной системы и параметров вихревых элементов (ВЭ) имеет вид:{Ω̇} = Λ({Ω})(2){[M]{q̈ } + [K]{q̇ } + [C]{q} = {G({Ω})}{Ω(t 0 )} = {Ω0 }, {q(t 0 )} = {q0 }, {q̇ (t 0 )} = {q̇ 0 }где {Ω} - вектор состояния ВЭ, компонентами которого являются: r j - радиусвектор маркера, h j - вектор ВЭ, j - интенсивность ВЭ. Размерность вектораравна 7 NV , где NV - количество ВЭ; - оператор, описывающий уравнениесохранения импульса в лагранжевой постановке: движение маркеров ВЭ потраекториям жидких частиц, удлинение и поворот векторов ВЭ, постоянствоинтенсивности ВЭ; { 0 } - вектор начального состояния вихревого следа.Для вычисления граничного условия «на теле» производится генерацияновых ВЭ.
Параметры ВЭ задаются расчетной схемой из замкнутых вортонныхрамок для чего используется разбиение тела на конечные панели , = 1, … , П ,а интенсивности ВЭ находятся и из решения системы алгебраических уравнений(3)[]{Г} = { } ,где – нормальная составляющая скорости движения контрольной точкипанели. Таким образом, число ВЭ увеличивается с течением времени по мереразвития вихревого следа.Для восстановления давления используется аналог интеграла КошиЛагранжа, введенный в трудах Г.Я. Дынниковой⃗∞2 ⃗ ({Ω})2(4)(, ) = ∞ + ∞ ( −+ − ),22где – слагаемое, учитывающее вклад в давление от движения ВЭ в областитечения; – слагаемое, учитывающее вклад в давление от рождения ВЭ.
Дляопределения нестационарных аэродинамических сил действующих наобтекаемое тело, проводится интегрирование известного распределениядавления среды ( , ) по поверхности тела. Для расчета перемещений узловобтекаемого тела строится конечно-элементная модель.
Поверхность тела разбивается на конечных элементов. Радиус-векторы узлов панелей совпадаютс радиус-векторами узлов конечно-элементной модели. В качестве обобщенныхкоординат могут быть использованы как координаты узлов конечных элементов,так и главные нормальные координаты полученные путем разложения позаданному числу собственных форм колебаний.Таким образом, методика включает:1.
Подготовку данных (матриц [M], [C], [k]) для упругой подсистемы, котораяможет быть проведена в стеке коммерческих программ MSC Patran, Nastran.2. Формирование на основе конечноэлементной сетки панелей методавихревых элементов.73. Определение методом вихревых элементов нестационарных нагрузок надеформируемую конструкцию РКН путем решения связанной задачиаэроупругости (2).Блок-схема применения методики представлена на Рис. 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
