оптимизация расчетов элементов конструкций летательных

ОПТИМИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В CAD/CAE СИСТЕМАХ
Руднев И.В., Леденев Д.С., Андреянков А.А., Шмелев К.В.
Оренбургский государственный университет, г. Оренбург
Одними из наиболее значимых видами профессиональной деятельности,
предусмотренными
Федеральным
государственным
образовательным
стандартом высшего профессионального образования для подготовки
бакалавров по направлению 160400 «Ракетные комплексы и космонавтика»,
предполагаются конструирование и расчеты элементов летательных аппаратов.
Большая часть навыков и умений такого рода приобретаются студентами в
процессе изучения учебных курсов дисциплин общепрофессионального цикла,
таких как сопротивление материалов и прочность конструкций. Эти курсы
изучаются по классическим учебникам, в которых, естественно, отсутствуют
примеры расчетов в конкретных современных системах автоматизированного
проектирования. Наряду с этим государственным образовательным стандартом
как для бакалавров по направлению 160400.62 - «Ракетные комплексы и
космонавтика», так и для магистров по направлению 160400.68 - "Ракетные
комплексы и космонавтика" предусмотрено умение в полной мере пользоваться
средствами вычислительной техники.
Внедрение на практических и лабораторных занятиях при изучении курса
сопротивления материалов расчетов на прочность с применением CAD/CAE
систем наряду с классическими расчетами позволяет студенту визуализировать
представления о напряженно-деформированном состоянии конструкции и
частично освобождает его от арифметического счета. При этом появляется
возможность больше времени уделять выбору расчетных схем, анализу
напряженно-деформированного
состояния,
а
также
проведению
оптимизационных расчетов. Однако обучение работе в системах
автоматизированного проектирования также занимает определенное время в
зависимости от выбора из большого количества САПР, имеющихся на
современном рынке. Обучение в рамках расчетных курсов пользованию такими
мощными, в основном англоязычными, пакетами программ как ANSYS,
NASTRAN и др. пойдет в ущерб изучению основного курса сопротивления
материалов.
Опыт расчетов в системах автоматизированного проектирования [1, 2]
показывает, что наиболее быстро осваиваемыми являются современные
CAD/CAE системы APM WinMachine (Россия), КОМПАС (Россия), SolidWorks
(США). Быстрому освоению расчетных модулей этих систем способствует
изучение в курсе компьютерной и инженерной графики CAD-системы
КОМПАС.
Безусловным лидером по моделированию стержневых и
пластинчато-стержневых конструкций при изучении курса сопротивления
материалов, с точки зрения доступности интерфейса для студентов, является
САПР APM WinMachine, разработанная преподавателями МВТУ им. Баумана в
инженерном центре АРМ (г. Королев). Создание стержневой модели в модуле
расчета напряженно-деформированного состояния, устойчивости, собственных
и вынужденных колебаний деталей и конструкций методом конечных
элементов АРМ Structure 3D [3] выполняется в режиме черчения. Для создания
же моделей узлов сложной геометрии и сборок гораздо удобнее пользоваться
графикой КОМПАС и SolidWorks. При этом с помощью промежуточного
формата файлов «step» протокола 203 имеется возможность импортировать
модели, созданные в системах КОМПАС и SolidWorks, в модуль АРМ Structure
3D для выполнения прочностных расчетов.
В качестве наглядного примера ниже приведен расчет конструкции 16 раз
статически неопределимой фермы переходного отсека ракетоносителя. Такой
расчет выполняется при проектировании и конструировании ракетоносителя с
несколькими ступенями [4]. Стержневая модель фермы с жесткими узлами,
созданная в модуле АРМ Structure 3D, показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Стержневая модель фермы
В качестве материала стержней фермы трубчатого сечения принят
алюминиевый сплав В95: в=510 МПа, т=410 МПа, Е=0.72*1011 МПа. Высота
фермы Н=0,6м. Диаметр нижнего шпангоута D=2,0м. Диаметр верхнего
шпангоута d=2,0м. После расчета сил, действующих на ракету в различных
стадиях полета, приняты следующие наиболее неблагоприятные нагрузки на
ферму: осевая сила - N=415240Н; изгибающий момент - М=40820Нм,
перерезывающая сила - Q=2015Н.
Результаты статического расчета, расчета на устойчивость и определения
собственных частот созданной в течение достаточно короткого времени модели
приведены на рисунках 2 - 4. Полученные результаты расчета позволяют
выполнить анализ напряженного деформированного состояния стержней
фермы по картам напряжений, перемещений, коэффициентам запаса прочности,
устойчивости, определить собственные частоты и массу фермы.
Оптимизировать конструкции фермы по одному или нескольким заданным
параметрам (массе, напряжению, жесткости и др.) возможно, внося
соответствующие изменения, путем последовательных итераций.
Рисунок 2 - Карта напряжений и их распределение
по сечению выбранного стержня
Рисунок 3 - Карта перемещений
Рисунок 4 – Результаты определения усилий в стержнях и собственных
частот фермы
Далее, для определения напряженно-деформированного состояния узлов
фермы и расчета соединений в CAD-системе КОМПАС создается
пространственная модель, импортируемая впоследствии с помощью формата
«step» в модуль АРМ Studio. После разбиения на конечные элементы
полученная твердотельная модель сохраняется в модуле АРМ Structure 3D, где
формируется расчетная схема узла и производится расчет. Результаты расчета
узла фермы в виде карт напряжений и перемещений приведены на рисунках 5,
6.
Рисунок 5 - Напряжения в центральном узле фермы
Рисунок 6 - Перемещения в центральном узле фермы
В результате предложенного подхода к выбору CAD/CAE систем
большее количество учебного времени используется на анализ расчетных схем
и напряженно-деформированного состояния, побуждая студентов, изучающих
классические курсы сопротивления материалов и расчетов на прочность
конструкций летательных аппаратов, к совершенствованию и оптимизации
созданных моделей.
Список использованных источников
1. Горелов, С. Н. Комплексное применение САПР при подготовке студентов
технических специальностей [Электронный ресурс] / С. Н. Горелов, А. В.
Попов, И. В. Руднев // Вызовы ХХI века и образование : материалы всерос.
науч.-практ. конф., 3-8 февраля 2006 г. / Оренбург. гос. ун-т. - Оренбург : ГОУ
ОГУ, 2006. – [Секция 13, с. 27-34]. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Загл. с
этикетки диска. – ISBN 5-7410-0650-7.
2. Горелов, С. Н. Расчет пространственных стержневых конструкций в
системах автоматизированного проектирования / С. Н. Горелов, И. В. Руднев,
А. Ю. Казак // Компьютерная интеграция производства и ИПИ технологии :
сб. материалов 4-й всерос. науч.-практ. конф., 11-13 ноября 2009г. / гл. ред. С.
Н. Летута. – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. – С. 333-336. – ISBN 978-5-74100954-3.
3. Замрий, А.А. Проектирование и расчет методом конечных элементов
трехмерных конструкций в среде APM Structure 3D / А.А. Замрий. - М.:
Издательство АПМ. 2004. - 208 с.
4. Волчков, О.Д. Прочность ракет-носителей: учебное пособие / О.Д. Волчков
- Ч.1. - М.: Изд-во МАИ, 2007. - 752 с.