Диссертация (1025494), страница 15
Текст из файла (страница 15)
5.1. РКН «Рокот» на стартовой позиции [132, 87]: а – элементыпусковой установки; б – общий вид стартовой позиции 1 – ТПК с надставкой, 2 –головной обтекатель РКН; 3 – стационарная колонна; 4 – захваты стационарнойколонны; 5 – стартовый стол; 6 – башня обслуживания.1175.2. Цели и задачи расчетаКак видно из Рис. 5.1,б поверхность обтекаемой ветром системы РКН-ТПКСК имеет сложную геометрию, включающую как гладкие цилиндрические тела,так и тела, имеющие острые кромки. Такая геометрия способствует интенсивномувихреобразованию при ее поперечном обтекании потоком воздуха.
Формированиевихрей на острых кромках может начаться уже при малых скоростях среды дажепри постоянной по величине и направлению скорости ветра. Все обтекаемыеповерхности являются непроницаемыми для ветра панелями большой площади,пульсации давления на которых могут приводить к существенным силовымвозмущающим воздействиям. В зависимости от направления и скорости ветрапараметры процесса вихреобразования, в частности частота формированиякрупных вихревых структур, будут существенно изменяться. При определенномсочетании этих параметров даже при кратковременном порыве постоянного поскорости ветра могут возникнуть нелинейные аэроупругие явления типа вихревогорезонанса или бафтинга, имеющие опасные для эксплуатации РКН амплитуды.В процессе проектирования комплекса «Рокот» возникла проблемаограничения допустимой скорости ветра при пуске из-за существенных колебанийТПК с РКН.
Для оценки динамики системы, нагруженной ветром в случаяхподготовки к пуску и в процессе пуска по существующим методикам по заказу ОКБ«Вымпел» были выполнены расчетные исследования [26], на основании которыхдопустимая скорость ветра для комплекса была снижена с 20 м/с до 12 м/с.Целью исследования прототипа РКН «Рокот» являлось определение, сиспользованием новой методики, опасных сочетаний скорости и направлениякратковременногопорываветра,прикоторыхпроцессыинтенсивноговихреобразования вызывают нарастание амплитуды колебаний элементов системыРКН-ТПК-СК.
Задачами расчета являлись:исследование вихревых структур в спутном следе;определение характеристик ветровой нагрузки;анализ переходных режимов колебаний элементов системы;сравнение полученных результатов с данными [26].1185.3. Схема расчетаПрипостроениирасчетнойсхемыбылсделанрядупрощающихпредположений, касающихся геометрических и динамических характеристиксистемы, а также параметров ветра.Геометрическая модель, выполненная на основе материалов отчета [26],включала только основные особенности формы пусковой установки, как показанона Рис. 5.2.
Стартовый стол, ТПК и РКН выполнены как единое тело вращения.Надстройки, кабельные каналы и другие детали на поверхности модели нерассматриваются. Модель установлена на бесконечном непроницаемом плоскомэкране. Неподвижная система координат модели введена как показано на Рис. 5.3.В исследовании [26] в программном комплексе SADAS был проведен расчетдеформаций системы РКН-ТПК-ПУ при действии ветровой нагрузки для случаяподготовки к пуску. При этом была использована подробная динамическая модельсистемы, составленная методом конечных элементов с размерностью порядка 100тыс. элементов. При анализе динамических процессов данная модель упрощаласьс использованием суперэлементов.
В расчете были получены следующие низшиесобственные частоты собственных колебаний модели и соответствующие имформы:первая собственная частота f1=0,61 Гц соответствовала изгибу системыпо балочной схеме, когда все элементы двигались в фазе в поперечной плоскостиОХZ;вторая собственная частота f2=0,71 Гц соответствовала изгибу системыпо балочной схеме, когда все элементы двигались в фазе в продольной плоскостиOXY;третья собственная частота f3=1,15 Гц соответствовала изгибу системыпо балочной схеме, когда СК и РКН в ТПК двигались «в противофазе» впоперечной плоскости ОХZ;119абРис. 5.2. Геометрическая модель стартового сооружения РКН «Рокот»: а –геометрические характеристики; б – электронная геометрическая модель120Рис.
5.3. Неподвижная система координат моделиПоскольку вызываемые вихреобразованием аэроупругие эффекты при малойскорости ветра проявляются только на низших собственных модах динамическаясхема системы РКН-ТПК-СК в настоящем расчете была построена аналогичномодельной задаче, рассмотренной выше в главе 4 в виде двух связанныхоболочечных моделей, заделанных на экране. При этом перемещения РКНотносительно ТПК не рассматриваются стартовый стол, стартовый стол ТПК иРКН рассматриваются упрощенно как единая упругая конструкция. Захватыстационарной колонны, соединяющие ее с ТПК моделируются двумя парамилинейно-упругих одномерных связей.Динамические характеристики системы в настоящем расчете были выбранына основании подобия по низшим собственным частотам и формам колебаний.121Поверхность модели в препроцессоре MSC Patran была разбита на 1528четырехугольных четырехузловых оболочечных элементов типа QUAD4с 5степенями свободы в каждом узле.
Количество панелей для СК равно 1276, дляРКН – 310. Большее количество панелей для СК связано со сложной геометрией,по сравнению с РКН. Захваты моделировались четырьмя пружинами типа CELAS1.Из условия совпадения первой собственной частоты были выбраны приведенныеупруго-массовые характеристики модели: модуль упругости материала = 1010Па, коэффициент Пуассона = 0,3, плотность материала = 7000 кг/м3,жесткость связей = 108 Н/м, эквивалентная толщина стенки 0,065 м.Значенияпервых10собственныхчастотколебанийупрощеннойдинамической системы приведены в Таблице 14.
Отклонение первой собственнойчастоты от найденной в работе [26] не превышает 2,5%.Таблица 14.Собственные частоты колебаний прототипа1 , Гц2 , Гц3 , Гц4 , Гц5 , Гц6 , Гц7 , Гц8 , Гц0,621,071,221,371,491,511,561,759 , Гц 10 , Гц1,791,80Первые пять собственных форм колебаний представлены на Рис. 5.4.Поскольку в упрощенной модели были использованы только оболочечныеконечные элементы среди собственных форм имеются такие, которые отвечаютколебаниям панелей СК.
Балочным формам колебаний прототипа соответствуют:первая собственная форма (f1=0,62 Гц) соответствующая изгибусистемы, когда все элементы двигаются в фазе в поперечной плоскости ОХZ;вторая собственная форма (f2=1,07 Гц) соответствующая изгибусистемы, когда все элементы двигаются в фазе в продольной плоскости OXY;пятая собственная форма (f5=1,49 Гц) соответствующая изгибусистемы, когда СК и РКН в ТПК двигаются «в противофазе» в поперечнойплоскости ОХZ;122Для решения задачи аэроупругости использовались первые 10 собственныхформ колебаний модели стартового сооружения. Однако для анализа влиянияветровой нагрузки на РКН рассматривались отклики по 2й и 5й формам.f1=0,62 Гцf2=1,07 Гцf3=1,22 Гцf4=1,37 Гцf5=1,49 ГцРис. 5.4.
Первые пять собственных форм колебаний динамической моделипрототипа123Согласно карте 3, приложенной к СП 20.13330.2011 [88] Плесецк находитсяв первом ветровом районе, что соответствует максимальной скорости ветра,превышаемой один раз в 50 лет, равной 19,5 м/с. Руководство пользователя РКНпри транспортировании космической головной части устанавливает допустимуюскорость ветра 20 м/с [132].
Воздействие ветра в работе [26] рассматривалось всоответствии с ОСТ 92-9249-80 [68] в поперечном направлении (по оси OZ), атакже по линии симметрии системы (по оси OY) с учетом квазистатическойсоставляющей и пульсаций, частота которых совпадала с собственными частотамиколебаний. Рассматривалась скорость ветра 25 м/с.Для выбора исходных данных по скорости ветра в расчете была оцененакритическая скорость ветра для возникновения ветрового резонанса на i-йсобственной частоте согласно актуализованному СП 20.13330.2011 по формуле = /ℎгде – характерный поперечный размер сечения, ℎ - число Струхаля,характеризующую частоту срыва вихрей.
В Таблице 15 приведены значениякритических скоростей, рассчитанных для двух характерных размеров: ТПК дляТПК =2,88 и ℎ=0,2, назначаемое для цилиндрической конструкции; СК дляСК =2,88 и ℎ=0,11, а назначаемое для конструкции с острыми кромками. Изтаблицы следует, что наименьшая критическая скорость составляет около 9 м/с, чтосущественно меньше предельно допустимой скорости.Таблица 15.Нормативные критические скорости ветрового резонансаi , Гц ТПК , м/с СК , м/с10,628,9621,4921,0715,5137,2131,4921,4751,51По методике Еврокода, изложенной в [11], была также проведена оценкаскорости возникновения галопирования рассматриваемой системы по формуле:124Г = 2 1 /,и скорость возникновения галопирования ТПК в спутном следе за СК по формулеГсп = 3,5 1 √ /3,где в дополнение к использованным обозначениям ≈ 30 … 35 – числоСкратона для данной конструкции, ≈ 2,5 – расстояние между осями ТПК СК, – коэффициент неустойчисвости по отношению к галопированию, определяемыйформой обтекаемой поверхности в широких пределах от 0,7 до 10,0.
Наименьшиезначения критических скоростей галопирования (для = 30 и = 10,0)составили Г = 10,7 м/с, Гсп = 18,4 м/с, что также меньше предельно допустимойскорости.Таким образом при ветровом воздействии в рассматриваемой конструкциимогут возникать опасные аэрупругие колебания, вызываемые вихреобразованием.Однако значения критических скоростей, получены по нормативным методикамприближенно без учета особенностей формы обтекаемой поверхности и нуждаютсяв уточнении, которое будет проделано по новой методике.Поскольку, согласно работам А. Давенпорта максимальная мощность ветраприходится на порывы с периодом 10..100 сек [113].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
