Диссертация (1025494), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Зверева, В.В.Ломакина, А.В. Языкова используются подходы, основанные на применении вконечноэлементныхмоделяхконструкцийлокальныхаэродинамическиххарактеристик сечений стержней [36]. Однако вопросы вихреобразования за этимипрофилями и нелинейные процессы взаимодействия вихревых следов замножеством стержней в работе не учитываются. Важность влияния процессовинтенсивного вихреобразования на аэродинамические характеристики стрежнеферменных конструкций показана в диссертации В.В. Никонова [60].Как показывает обзор литературы установленная на стартовой позициисовременная РКН закреплена как правило консольно на стартовом столе и, будучиполностью заправленной, имеет низшие собственные частоты колебаний ниже1 Гц.
При обтекании такой гибкой конструкции необходимо учитывать явленияаэроупругости. Аэроупругие колебания могут вызывать повышенные нагрузки вместах крепления РН к стартовому столу, значительные перемещения РН, которыемогут привести к соударению ракеты с элементами СК.Явления аэроупругости делятся на статические, линейные динамические(резонансные) и нелинейные (флаттер, дивергенция, бафтинг и пр.) [16, 97, 108, 95,17].
В задачах аэроупругости, как правило исследуются уравнения динамикиконструкций,вкоторыхвлияниепотоказадаетсянеконсервативнымипозиционными нагрузками, как линейными, так и нелинейными. В настоящеевремя большое внимание уделяется решению связанных задач взаимодействияконструкций с потоком, где в единую систему сводятся уравнения динамикконструкции и уравнения динамики среды. В этом случае нагрузки определяются26на основе распределения давления среды по поверхности обтекаемого тела, аграничные условия для течения среды определяются с учетом подвижностидеформируемыхконструкций.Ванглоязычнойлитературеэтизадачиобозначаются термином Flud Structure Interaction.
Решение задач FSI сложныхтехнических систем строится на базе новой методологии научных исследований.Данная методология, описанная в работе [14], основана на широком использованиивычислительного эксперимента. Источником конкретной научной информациипри этом становятся численные методы.
В этой связи особая ответственностьнакладывается на организацию расчетов и их достоверность.В существующих нормах расчета на ветровую нагрузку нелинейные явленияаэроупругости практически не представлены. Единственный вид расчетов – этоповерочный расчет на резонанс, возникающий при скоростях ветра, когда частотасрыва вихрей совпадает с собственной частотой колебаний сооружения поперекпотока. Однако данный расчет основан на существенных упрощениях.
Во-первых,в расчет берется только одна собственная форма колебаний, а другимипренебрегают. Во-вторых, при расчете ветровых нагрузок, вызываемых сходомвихрей, обычно используется модель вихрей Кармана - обтекаемое тело заменяютэквивалентнымцилиндромисчитают,чтобоковаянагрузкаявляетсямоногармонической с частотой, соответствующей числу Струхаля Sh=0.2 [50].Данное упрощение не позволяет учесть многие нестационарные динамическиеэффекты, связанные с взаимодействием потока воздуха с обтекаемым телом.В частности, в работе T.G.
Ivanco и D.F. Keller [137] было проведеноисследование влияния ветровых нагрузок вблизи земли, действующих на РКН Ares.Было показано, что отклик конструкции полигармонический. Ветровой резонансможет происходить не только по первой собственной частоте колебанийконструкции, но и по второй, то есть происходит так называемый захват частоты.Для подавления колебаний, возникающих от внешней ветровой нагрузки, в работебыло предложено разработать, и в дальнейшем внедрить в эксплуатацию демпфер,соединяющий РКН и стартовую колонну (см Рис.
1.4).27абРис. 1.4. Экспериментальный стенд РКН Ares [137]: а – стартовоесооружение; б – спектр отклика РКН AresВ работе Selvi R.S. и соавторов [128] было проведено исследование обтеканияпод разными углами атаки перед стартом компоновки РКН с подвеснымицилиндрическими баками топлива (см. Рис. 1.5). Были получены значения полядавлений, действующих на компоновку РКН. Приведенные работы обладаютсущественными недостатками, в частности, в работе [137] используетсяупрощенная конечно-элементная модель конструкции, удержаны первые трисобственные формы колебаний (балочные), в работе [133] компоновка РКНпредставлена абсолютно жестким телом. Все это приводит к тому, что невозможнопроанализировать влияние местной податливости обтекаемой поверхности напроцесс вихреобразования.
Также в упомянутой работе [137] было показано, чтозахват частот может происходить при различных скоростях ветра и на различныхвысотах (см. Таблицу 1).28абРис. 1.5. Обтекание экспериментального стенда РКН [133]: а – стенд РКН, б– варианты обтекания ветровой нагрузкойТаблица 1.Спектр отклика РКН Ares1 , 1 =2 , 2 =1 , 1 =2 , 2 =0.17, 0.21 Гц2.01, 2.16 Гц0.17, 0.21 Гц2.01, 2.16 Гц =3.96, =23.46, =5.86, =34.73,4.89 м/с26.91 м/с7,20 м/с39.87 м/с0.203.14, 3.9118.73, 21,564.68, 5.7627.78, 32.900.242.62, 3.2415.64, 17.953.91, 4.8423.15, 26.600.282.26, 2.7813.38, 15.383.34, 4.1219,86, 22.790.322.95, 2.4212.73, 13.482.93, 3.6017.34, 19.910.16При разработке новых РКН для снижения погрешностей исследованиядинамикистартанеобходимоиспользоватьразвитыепространственныеоболочечные модели вместо балочных [5]. Исследование влияния упругойоболочечной модели конструкции на динамику РКН при ветровой нагрузке влитературе обнаружить не удалось.
Представляется, что учет податливостиобтекаемой поверхности может существенным образом сказываться на частотныххарактеристиках нагрузки.29Как показал анализ литературы, вопросы влиянии деформации оболочекэлементов конструкции РКН на процессы вихреобразования, и в частности, наизменение спектральных характеристик аэродинамических сил практически неизучены. Необходимо также учитывать и возможность аэродинамическойинтерференции РКН и находящихся вблизи нее стартовых сооружений: башенобслуживания, стартовых колонн и т.д.В нелинейных задачах ветрового нагружения РКН деформация и движениетел в потоке под действием нестационарных нагрузок приводят к изменениямпроцессов вихреобразования и структуры вихревой пелены, что в свою очередьведет к изменению нагрузок.
Данный класс задач является одним из наиболеесложных с вычислительной точки зрения из-за нелинейности исходныхматематических моделей и особенностей их численного анализа. Связанная задачапредставляется системой, состоящей из двух подсистем: аэродинамической иупругой. Связь уравнений динамики конструкции и динамики среды возникаетвследствие равенства скорости потока и скорости точек обтекаемой поверхности,испытывающей деформации под действием нестационарного поля давления среды.Ключевым моментом в моделировании и виртуальных испытаниях являетсяполучениесовместногосогласованногорешенияуравненийдинамикиконструкции и уравнений движения жидкости или газа.Важнойзначительныххарактеристикойпульсацийветраветраявляетсяпоскоростипорывистостьи–направлению.наличиеРезкоекратковременное усиление ветра называется «порывом».
Как правило воздействиепорывов ветра рассматривается на этапе подъема РКН в плотных слоях атмосферы.Однако опасные автоколебания, вызванные сходом вихрей, могут возникнутьмогут возникать и на этапе подготовке к пуску при кратковременном воздействиипостоянного по направлению и величине ветра.Максимум энергии в порыве приземного ветра (согласно работам А.Давенпорта [113]) приходится на диапазон частот от 0,1 до 0,01 Гц, т.е.30соответствует периоду 10 – 100 сек. В работах [8, 85] указаны порывы ветрадлительностью 2, 10, 30 с соответственно.
Закон изменения скорости приземноговетра в порыве не нормирован. Он может быть различным: синусоидальным (одинпериод или полпериода), ступенчатым и пр. На Рис. 1.6 показан примерный графикописывающий порыв ветра длительностью порядка 10 с.Поскольку скорости ветра в кратковременном порыве могут в два и болеераза превосходить среднюю скорость ветра [121], данный вид ветровогонагружения является опасным и требуется расчет отклика на него конструкцииРКН.Рис. 1.6 Длительность порыва ветраПри учете стохастического характера ветрового воздействия нелинейныединамические эффекты, связанные с процессами вихреобразования существенноусложняются.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
