Проекты

Расчет динамики и прочности корпуса системы охлаждения

В работе выполнено математическое моделирование и анализ поведения корпуса системы охлаждения фотоприёмного устройства под действием характерных внешних воздействий. Выявлены опасные уровни воздействий и внесены предложения по обеспечению прочности и надежности конструкции.

Фотоприемное устройство

На сегодняшний день наиболее эффективным и распространенным способом получения данных о поверхности Земли и атмосфере является дистанционное зондирование (фото- и видеосъёмка) с помощью сканирующих съёмочных систем (в частности, фотоприёмных устройств), передающих регистрируемую информацию с борта носителя на Землю по беспроводным каналам связи.

 1 Vozvraschaemyi otsek sputnika fotorazvedky

Рисунок 1 – Возвращаемый отсек спутника фоторазведки «Янтарь-2К»

Такие системы пришли на смену громоздким аппаратам, снимавшим на широкоформатную фотопленку и возвращавшим отснятый материал с орбиты обратно на Землю в капсулах.

Одним из побочных результатов длительной фото- и видеосъёмки является нагрев используемых в сканирующих системах светочувствительных матриц, что может выводить из строя элементы конструкции. Поддержание рабочих температур таких систем в авиационной и космической технике производится с помощью криогенных систем охлаждения (КСО).

В рассмотренной КСО рабочий газ (гелий) нагнетается закреплёнными на задней части конструкции компрессорами в зону охлаждения.

2 korpus kriogennoi sistemy ohlazhdenia fotopriemnogo ustroistva

Рисунок 2 – Корпус криогенной системы охлаждения фотоприёмного устройства

Во время запуска, транспортировки и эксплуатации носителя корпус КСО подвергнется ряду характерных механических воздействий (например, случайные вибрации). Для обеспечения работоспособности конструкции государственная компания-заказчик предпочла усовершенствовать длительную и дорогостоящую наземную экспериментальную отработку опытных образцов устройства путём предварительного математического моделирования и расчёта динамики и прочности КСО. Под обеспечением работоспособности в условиях эксплуатации понимается в первую очередь обеспечение прочности конструкции и качества данных, фиксируемых фотоприёмным устройством (стабилизация изображения). Такая задача решена в Центре инженерно-физических расчетов и анализа методом конечных элементов в программной системе ANSYS.

Расчет динамики и прочности

Для сокращения количества экспериментов и неудачных опытных образцов в работе потребовалось решить ряд разнообразных задач механики, адаптировав полученный от заказчика список технических требований на физический эксперимент под математическую модель поведения объекта. На первом этапе работы проведена подготовка 3D CAD модели – удалены мелкие элементы, препятствовавшие генерации эффективной и экономичной сетки конечных элементов, а затем проведено непосредственно сеточное разбиение конструкции.

3 konecho elementnaya model

Рисунок 3 – Конечно-элементная модель

В списке характерных механических воздействий присутствуют возмущения различного характера:

  • Резонансные колебания на конкретном значении частоты;
  • Случайные вибрации (шум реактивной струи, турбулентность в потоке газа);
  • Избыточное внутреннее давление, вызванное периодической закачкой газа внутрь конструкции при подготовке к эксплуатации;
  • Избыточное внешнее (атмосферное) давление, вызванное откачкой воздуха из конструкции, которое может привести к потере устойчивости;
  • Вибрации прикреплённых на задней части конструкции компрессоров на их рабочей частоте.

4 normalnoe raspredelenie sluchainoe vozdeistvie

Рисунок 4 – Нормально распределённое случайное воздействие

Эти возмущения сведены к конкретным постановкам задач, решённым затем методами численного моделирования:

  • определение собственных частот конструкции;
  • оценка влияния случайного воздействия;
  • оценка влияния статической нагрузки от избыточного давления;
  • определение запаса устойчивости под действием статической нагрузки;
  • оценка влияния вибрации двух компрессоров в разных фазах.

5 napriazhenia po mizesu

Рисунок 5 – Опасные напряжения по Мизесу, вызванные случайным воздействием

Результаты исследования

Результаты численного моделирования позволили сделать вывод, что в конструкции не возникает резонансных колебаний на рабочей частоте. Найденные собственные формы и частоты использованы для оценки влияния случайного воздействия. Выявлены детали конструкции с опасным уровнем напряжений по Мизесу, превышающим предел текучести. Для таких деталей внесены предложения по замене марки стали. Установлено, что напряжения, возникающие в результате внутренней статической нагрузки, не являются опасными, их значения много меньше пределов текучести используемых материалов. Определён достаточный запас по устойчивости внешней статической нагрузке и первая форма потери устойчивости.

6 poterya ustoichivosty obolochki vacuumnoi kamery compressed

Рисунок 6 – Потеря устойчивости оболочки вакуумной камеры

Установлено, что напряжения, возникающие в конструкции в результате вибраций компрессоров на их рабочей частоте, не являются опасными. Также в конструкции обеспечены запас по циклической прочности (усталости) и стабильность фиксируемого изображения – амплитуда вибраций фотоприёмного устройства не превышает требуемой.

 7 Vibracia kompressorov na rabochei chastote

Рисунок 7 – Вибрация компрессоров на рабочей частоте

В результате выполненной работы численное моделирование поведения конструкции позволило выявить опасные воздействия и детали конструкции. Полученные результаты способствуют сокращению числа неудачных опытных образцов длительных и материально затратных экспериментов. Несомненным плюсом проведенного моделирования стала выработка методики проведения подобных расчётов. Моделирование поведения нового конструкционного варианта КСО может быть проведено с использованием уже созданной схематики проекта в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS Workbench.

 

Статья подготовлена на основе материалов дипломной работы на соискание академической степери бакалавра прикладной механики А.В. Калюжнюка (ИПММ СПбПУ, 2016)

Связанные новости
19 апреля 2022 года состоялось заседание секции №6 «Прочность и надежность строительных конструкций зданий и сооружений» Экспертного совета по аттестации программ для ЭВМ при Научно-техническом центре по ядерной и радиационной безопасности (ФБУ «НТЦ ЯРБ») Ростехнадзора.
АО «ЦИФРА» приняла участие в треке «Математическое моделирование» в рамках образовательного форума "Phygital universe", который проходил в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. 27 апреля руководитель инженерной группы АО «ЦИФРА» Юрий Лавров, а также инженеры Рубцов Иван и Васильева Дарья выступили в Высшей школе теоретической механики с презентацией проектов из инженерной практики. 29 апреля Юрий и Дарья оценивали навыки математического моделирования и инженерного мышления участников форума при решении практического кейса от АО «ЦИФРА». По результатам защиты кейсов выбрано 5 победителей, которые получат дополнительные 10 баллов при поступлении в магистратуру в СПбПУ.
Связанные публикации в блоге
Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.
АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.