Диссертация (Определение аэроупругих колебаний летательного аппарата, обусловленных вихреобразованием от порыва ветра на стартовой позиции)

«Московский государственный технический университетимени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»На правах рукописиЕрмаков Андрей ВасильевичОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОУПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ ЛЕТАТЕЛЬНОГОАППАРАТА, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЕМОТ ПОРЫВА ВЕТРА НА СТАРТОВОЙ ПОЗИЦИИ05.07.03 – Прочность и тепловые режимы летательныхаппаратовДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Щеглов Георгий Александровичдоктор технических наук, доцентМосква – 20172СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………… 4ГЛАВА 1.

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВЕТРОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАКЕТУНОСИТЕЛЬ, УСТАНОВЛЕННУЮ НА СТАРТОВОЙПОЗИЦИИ…………………………………………………………………………… 131.1. Обзор литературы по ветровому нагружению ракет-носителей……..на стартовой позиции………………………………………………………… 131.2.Обзор литературы по ветровому нагружению зданий……………… 321.3.Обзор методов вычислительной гидродинамики………………….... 371.4.Выводы по главе 1……………………………………………………..

45ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОУПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ………ЛЕТАТЕЛЬНОГОАППАРАТА,ОБУСЛОВЛЕННЫХВИХРЕОБРАЗОВАНИЕМ………………………………………………………….. 462.1.Постановка задачи аэроупругости………………………………….... 462.2.Описание упругой подсистемы………………………………………. 472.3.Описание аэродинамической подсистемы…………………………... 492.4.Алгоритм решения задачи аэроупругости………………………........ 562.5.Выводы по главе 2…………………………………………………….. 58ГЛАВА3.РЕШЕНИЕТЕСТОВЫХДВУМЕРНЫХЗАДАЧАЭРОУПРУГОСТИ…………………………………………………………………. 593.1.Расчетная схема упругой подсистемы………………………………. 593.2.Расчетная схема метода вихревых элементов……………………….

613.3.Результаты методических расчетов………………………………….. 643.3.1. Обтекание кругового профиля……………………………………….. 653.3.2. Обтекание эллиптического профиля………………………………… 763.4.Выводы по главе 3…………………………………………………….. 83ГЛАВА4.РЕШЕНИЕТЕСТОВЫХТРЕХМЕРНЫХЗАДАЧАЭРОУПРУГОСТИ…………………………………………………………………. 843Стр.4.1.Расчетная схема упругой подсистемы………………………………. 844.2.Расчетная схема метода вихревых элементов………………………. 854.3.Результаты методических расчетов………………………………….. 904.3.1. Обтекание жесткой цилиндрической оболочки…………………….. 904.3.2. Обтекание упругой цилиндрической оболочки……………………... 934.4.Исследование упрощенной модели………………………………….. 984.4.1.

Расчетная схема……………………………………………………….. 984.4.2. Результаты моделирования………………………………………….. 1034.5.Выводы по главе 4…………………………………………………… 113ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОУПРУГИХ КОЛЕБАНИЙПРОТОТИПА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ…………………………………………..... 1145.1.Описание прототипа………………………………………………… 1145.2.Цели и задачи расчета……………………………………………….. 1175.3.Схема расчета………………………………………………………... 1185.4.Условия расчета……………………………………………………... 1295.5.Результаты расчета………………………………………………….. 1305.5.1. Вихревые структуры в спутном следе……………………………...

1305.5.2. Характеристики ветровой нагрузки………..………………………. 1375.5.3. Параметры переходных режимов колебаний………………………. 1425.6.Выводы по главе 5……………..…………………………………….. 151ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ……………………………. 152СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………….. 1534ВведениеАктуальность работы. В настоящее время во всем мире и, в том числе, вРоссийской Федерации идет смена поколений ракет-носителей космическогоназначения (РКН).

Обеспечение динамической прочности этих летательныхаппаратов (ЛА), представляет собой одну из важнейших задач, которая решаетсяна этапе проектирования. При этом, в связи с широким внедрением методовавтоматизированного проектирования, виртуальной разработки и испытанийизделий, актуальной задачей является разработка новых математических моделейвнешних динамических нагрузок, методик их расчета и соответствующегопрограммного обеспечения.Настоящая работа посвящена разработке методики моделирования одного изнаиболее сложных видов динамических нагрузок – ветровых нагрузок,возникающих на этапе предстартовой подготовки РКН. Параметры ветра в общемслучае являются нестационарными случайными величинами, которые существенноизменяютсяповысотеинаправлению.Интенсивноевихреобразование,возникающее при обтекании ветром РКН и находящихся возле нее конструкцийстартового комплекса, может вызывать опасные аэроупругие явления: вихревойрезонанс, галлопирование, бафтинг.

Опасные нагрузки может вызывать не толькопродолжительный ветер, но и его кратковременные порывы.Разработка высокопроизводительной методики расчета нестационарныхветровых нагрузок на РКН является актуальной не только для проектирования, нои для сопровождения пуска при эксплуатации ракет-носителей. Возможностьоперативного расчета отклика конструкции РКН в заданной конфигурации наветровое воздействие, измеренное непосредственно в районе стартовой площадки,позволит выдать обоснованное заключение о возможности пуска и, тем самым,повысить надежность и безопасность эксплуатации ракетно-космическогокомплекса.Объектомисследованияявляетсяназначения на этапе предстартовой подготовки.ракета-носителькосмического5ПредметомисследованияявляютсяаэроупругиеколебанияРКН,вызванные вихреобразованием, порождаемым порывом ветра на стартовойпозиции.На основе анализа литературы можно сделать вывод о том, что задача,посвященная определению ветровых нагрузок на РКН, установленную настартовую позицию, исследуется достаточно давно.

Обзор работ по данной темеможно найти в фундаментальном труде [71], который является основнымоткрытым источником информации по данному вопросу на русском языке. Однакодо настоящего времени в существующих отраслевых стандартах [68], и нормах[82, 88], ветровое воздействие представляется квазистационарным. Исследований,которыепосвященыматематическомумоделированиюнелинейныхнестационарных процессов, возникающих при воздействии ветра на РКН, таких какзахват частоты, автоколебания, ветровой резонанс, при анализе открытыхпубликаций обнаружить не удалось.

В то же время известно значительноеколичество работ по исследованию указанных явлений применительно кстроительным конструкциям: мостам, башням, и пр. Источником нестационарныхнагрузок являются процессы интенсивного вихреобразования, возникающие приотрывном обтекании подобных конструкций. Пренебрежение данными процессамипри моделировании нагрузок может приводить к принципиально невернымрезультатам расчета динамики и прочности конструкции летательного аппарата.В настоящее время мало экспериментальных данных, особенно в открытойлитературе, касающихся вопросов аэроупругого взаимодействия ракеты, стоящейнастартовойпозицииссооружениямистартовогокомплекса:башнейобслуживания или кабель мачтой, и в частности, с вихрями, которые с нее сходят.Данные исследования являются актуальными, поскольку башню, находящуюсярядом с РКН, имеют стартовые комплексы большинства существующих и вновьразрабатываемых РКН.Актуальной задачей на сегодняшний день является не только проведениеэксперимента, который можно провести в аэродинамической трубе, но иразработка методик поддержки эксперимента, основанных на численном6моделированиипроцессовинтенсивноговихреобразованиявблизиупругодеформируемых поверхностей, необходимых для более полного описания ианализа исследуемых процессов.Существующие программные комплексы (ANSYS Fluent, OpenFoam и т.д.), вкоторыхреализованысеточныеметодывычислительнойгидродинамикипозволяют решать данную задачу аэроупругости, но ценой очень больших затратмашинного времени.

Использование имеющихся программных комплексовпрактически не позволяет решать задачу расчета параметров переходных режимовс учетом случайных разбросов факторов ветрового воздействия методом МонтеКарло, поскольку расчет одной реализации занимает около одной недели.Несмотря на бурный рост производительности вычислительных машин,суперкомпьютеров, на текущий день отсутствует возможность для решенияуравнений Навье-Стокса, которые описывают поведение жидкости или газа,прямым численным методом без каких-либо упрощений и осреднений.

В качествеальтернативы сеточным методам для задачи динамики несжимаемой средыразвиваются бессеточные лагранжевые вихревые методы, основанные намоделировании эволюции завихренности. Применение данных методов длярасчета аэродинамической нагрузки, действующей на РКН может датьзначительное сокращение времени счета, при приемлемой точности результатов,что особенно важно при проведении серий расчетов в процессе поискарациональных проектных решений, определения предельно допустимой скоростиветра, а также при учете случайного характера ветрового воздействия.Таким образом, несмотря на серьезный прогресс в использованиивиртуального моделирования и виртуальных испытаний, возросшем ростепроизводительностивычислительныхкомплексов,насегодняшнийденьотсутствует эффективная инженерная методика численного моделированияпроцесса ветрового нагружения летательного аппарата, учитывающая связьпроцессов вихреобразования и колебаний конструкции.7Целью диссертационной работы является определение параметроваэроупругих колебаний РКН, вызываемых вихреобразованием от порыва ветра настартовой позиции.Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующихосновных задач:1.Построение математической модели нестационарного ветровогонагружения РКН, установленной на непроницаемом экране, учитывающейвзаимосвязь между упругими деформациями конструкции и процессамивихреобразования.2.Разработка программного комплекса для расчета нестационарныхветровых нагрузок, действующих на РКН на этапе предстартовой подготовки, сучетом взаимовлияния вихреобразования при обтекании корпуса ракеты иэлементовстартовогооборудованияиупругихдеформацийобтекаемойповерхности.3.Построениеметодикирешениязадачивпростейшемслучаевзаимодействия упругодеформируемого профиля с плоскопараллельным потокомсреды и оценка влияния процессов вихреобразования на параметры нагруженияпрофиля.4.обтеканияПостроение методики решения задачи в случае пространственногоисравнениерезультатовмоделированиясизвестнымиэкспериментальными данными.5.Тестирование методики на модельной задаче с целью оценкивзаимовлияния вихреобразования и упругих деформаций обтекаемой поверхностина спектральные характеристики аэродинамической нагрузки.6.Определение параметров аэроупругих колебаний для прототипа РКНлегкого класса.Научная новизна работы определяется использованием метода вихревыхэлементов для определения параметров аэроупругих колебаний РКН на стартовойпозиции, который ранее, насколько позволяет судить проведенный обзор8литературы, к подобным задачам не применялся.