8 812 123 45 67
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.

Вебинар: Оценка прочности и устойчивости металлических конструкций зданий и сооружений по СП 16.13330.2017 с учетом назначения и условий работы

На этом вебинаре рассмотрим основные особенности расчетов прочности металлических конструкций по СП 16.13330.2017

Регистрация →

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)

вернуться к списку новостей
Рассчитать стоимость онлайн
Сообщите основную информацию о вашей задаче, ответьте на несколько вопросов и мгновенно получите оценку трудоемкости актуальной для вас инженерной задачи.
Узнать цену
Связанные новости
15 января 2025

Расчёты прочности и сейсмостойкости строительных конструкций и оснований зданий и сооружений атомных станций

АО «ЦИФРА» подтвердило выполнение вплоть до 2033 г. всех необходимых требований, предъявляемым к организациям, выполняющим расчёты прочности и сейсмостойкости строительных конструкций и оснований зданий и сооружений атомных станций: наличие специализированной лицензионной верифицированной программы для ЭВМ, имеющей аттестационный паспорт ФБУ «НТЦ ЯРБ»; включение организации в перечень пользователей данного программного обеспечения по итогам обучения и проверки знаний специалистов; наличие лицензии Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзора) на проектирование и конструирование ядерных установок, в части выполнения расчетов и обоснования несущей способности и прочности металлических и железобетонных строительных конструкций.
Новости
25 декабря 2024

Расчёты прочности и сейсмостойкости оборудования и трубопроводов атомных станций

АО «ЦИФРА» подтвердило выполнение вплоть до 2033 г. всех необходимых требований, предъявляемым к организациям, выполняющим расчёты прочности и сейсмостойкости оборудования и трубопроводов атомных станций: наличие специализированной лицензионной верифицированной программы для ЭВМ, имеющей аттестационный паспорт ФБУ «НТЦ ЯРБ»; включение организации в перечень пользователей данного программного обеспечения по итогам обучения и проверки знаний специалистов; наличие лицензии Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзора) на конструирование оборудования для ядерных установок (атомных станций) в части выполнения расчетов прочности и сейсмостойкости оборудования АЭС.
Новости
Связанные публикации в блоге
2 апреля 2025

Получение сертификата сейсмостойкости на основании расчёта методами численного моделирования

Расчёт на сейсмостойкость — процесс определения способности здания или сооружения выдерживать сейсмические нагрузки. Этот расчёт помогает убедиться, что здание соответствует требованиям нормативно-технической документации и способно выдержать определённый уровень интенсивности землетрясения.
Блог
11 декабря 2024

Сейсмостойкость резервуаров частично заполненных жидкостью

В инженерной практике проектирование и анализ прочности частично заполненных резервуаров имеют особую важность, особенно в регионах, подверженных сейсмической активности. Во время землетрясений динамические нагрузки на такие конструкции могут привести к значительным напряжениям, способным нарушить структурную целостность конструкции. Сложное взаимодействие между жидкостью внутри резервуара и стенками резервуара требует тщательного рассмотрения, так как движение жидкости во время землетрясения может усилить воздействующие на конструкцию силы.
Блог
Связанные вебинары
20 ноября 2024

Научно-техническое сопровождение проектирования особо опасных и технически сложных промышленных объектов

Приглашаем на открытый вебинар, посвящённый актуальным вопросам проведения научно-технического сопровождения проектирования (НТС).
Вебинары
6 ноября 2024

Расчёты на прочность сосудов и аппаратов в соответствии с нормативно-технической документацией РФ

Приглашаем на открытый вебинар, посвящённый актуальным вопросам проведения расчётов на прочность сосудов и аппаратов в соответствии с нормативно-технической документацией РФ
Вебинары
Расскажите о вашей задаче
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.
Успешно отправлено! Наш специалист свяжется с Вами в ближайшее время!