Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Конструкторский раздел

11 Постановка задачи

В данном разделе рассматриваются ряд вопросов связанных с определением прочностных характеристик конструкции КП.

Для правильного выбор подхода к решению задачи определения напряженно-деформированного состояния КП необходимо знать:

- конструкцию КП;

- нормы, которыми необходимо руководствоваться при расчете;

- методику расчета конструкции КП;

- метод конечных элементов, как приближенный метод расчета конструкций;

- правила и порядок построения конечно-элементной модели КП.

1.2 Исходные данные

Исходными данными для расчетов являются:

- Книга 10. Часть 3. Состав и основные характеристики КП "Нева",

ЕС ПЗ 10.2

- проектно-конструкторские разработки элементов конструкции КП;

- нормы прочности.

1.3 Нормы прочности

Нормы прочности представляют собой совокупность требований к определению нагрузок, расчетной проверке прочности, объему и методам экспериментальной отработки для всех этапов эксплуатации КА и устанавливают коэффициенты безопасности.

В случае необходимости, для более полного учета специфики конструкции изделия и его нагружения разрабатывают частные нормы прочности.

Под нагрузками понимают сосредоточенные и распределенные силы и моменты, внешние и внутренние давления, действующие на конструкцию КА и ее элементы (отсеки, узлы).

Эксплуатационную нагрузку (пиковые значения нагрузки) и режим нагружения (зависимость нагружения от времени) определяют как максимально реализуемые.

Испытательная нагрузка и режим нагружения должны имитировать в лабораторных условиях расчетную нагрузку и режим нагружения.

Расчетную нагрузку и режим нагружения определяют на основании их эксплуатационных значений в соответствии с принятым подходом нормирования прочности.

Несущую способность конструкции характеризуют системой нагрузок при заданном режиме нагружения, в результате действия которых происходит разрушение или потеря устойчивости.

Расчетным, по прочности, следует принимать такой случай нагружения, при котором в каком-либо расчетном сечении конструкции достигаются максимальные значения нагрузок или их комбинаций, и определяют его предельное состояние в соответствии с выбранным критерием прочности или устойчивости.

Конструкция удовлетворяет требования прочности, если ее несущая способность при действии расчетных нагрузок и режимов нагружения, подтверждена согласно требованиям стандарта.

За основу нормирования прочности при статическом нагружении принято обеспечение достаточного запаса по предельным (разрушающим) нагрузкам при одноразовом нагружении.

Расчетную нагрузку (Np) определяют по формуле:

, (11)

конструкция космический платформа

где Nэ-эксплуатационная нагрузка.

Коэффициент безопасности (f) учитывает неточность теоретического и экспериментального определения нагрузок, случайный разброс этих нагрузок и неточность определения несущей способности при ограниченном количестве испытаний, предусмотренных планами отработки прочности изделия.

Запас прочности () элемента определяется по формуле:

(12)

или

(13)

где N_пред - величина предельной нагрузки;

_пред величина предельного напряжения;

_р величина расчетного напряжения.

В отдельных случаях, запас прочности элемента конструкции, определяют как отношение величины допустимой деформации к расчетной.

За основу нормирования ресурсной (усталостной) прочности принято обеспечение достаточного запаса по числу циклов эксплуатации или нагружения.

Расчетное число циклов определяют, как эксплуатационное число циклов умноженное на коэффициент безопасности по циклам (f_л).

Коэффициент безопасности по циклам учитывает неточность определения нагрузок, их случайный характер, разбросы прочностных характеристик при циклическом нагружении.

1.4 Описание конструкции

Основными составными частями космической платформы (КП) "Нева" являются:

1) система электроснабжения (СЭС);

2) система ориентации и стабилизации (СОС);

3) двигательная установка (ДУ);

4) бортовой информационно-управляющий комплекс (БИУК);

5) средства обеспечения теплового режима (СОТР);

6) конструкция;

7) электрооборудование;

8) устройство крепления и отделения (адаптер).

Конструктивно КП "Нева" состоит из:

каркаса в форме куба (сварная металлоконструкция из уголка 40Ч40Ч4 из сплава АМг 6);

термостабилизированных панелей (ТСП) из сплава АМг 6, закрепленных на 4-х гранях каркаса по плоскостям стабилизации (, II, III, IV);

фланцев крепления КП к адаптеру КР и к модулю ПН,

Внешние элементы КП "Нева" расположены на наружных поверхностях ТСП следующим образом:

на ТСП - I: антенна БИУК, блок ЭМИО с приводами раскрыва;

на ТСП - II,- IV: батареи солнечные с приводами раскрыва и перекладки БС по углам тангажа и крена;

на ТСП - III: антенна БИУК, магнитометры, звездные датчики.

КП "Нева" комплектуется механическим адаптером для её установки и крепления на соответствующих посадочных местах КР "Скиф".

Адаптер включает в себя:

металлоконструкцию выполненную способом сварки из швеллеров и фитингов. Высота адаптера - 100 мм, размеры по отверстиям опорных платиков 800Ч800 мм, диаметр 4-х отверстий - 17 мм. Материал адаптера - АМг 6;

штыри направляющие (4 шт.) диаметром 12 мм воспринимают поперечные нагрузки при эксплуатации КП "Нева", а при отделении КП-обеспечивают её направление на начальном участке отделения ( 25 мм);

болты разрывные РБМ - ЛД34.440.015 (резьба М10-8h) обеспечивают крепление КП "Нева" к адаптеру, а также её отделение в соответствии с циклограммой вывода на заданную орбиту по команде бортовой системы управления (БСУ) КР;

В целом конструктивно-компоновочная схема КП "Нева" отвечает современным требованиям по конструктивным решениям и технологичности. Она использует:

маломассогабаритное исполнение блоков аппаратуры и современные конструкционные материалы, в т.ч. углепластовые листы и профили;

модульный принцип построения КП,?позволяющий проводить "отверточную" сборку и упрощающий монтаж и проведение ПСИ;

"одноэтажную" архитектуру модулей СС, обеспечивающую оптимальные показатели производственной и эксплуатационной технологичности: замена приборов из состава ЗИП, модернизация целевой аппаратуры без существенного изменения конструкции и с минимальными затратами и т.п.;

применение отработанных, освоенных производством материалов и технологических методов.

Конструктивно-компоновочная схема КП "Нева" представлена на виде общем.

1.5 Методика расчета

Методика расчета включает в себя следующие этапы:

1) Анализ случаев нагружения КП.

2) Определение расчетных нагрузок.

3) Определить элементы конструкции КП подлежащие расчету.

4) Создание модели КП для расчета с помощью программного комплекса «Зенит-95».

5) Расчет на прочность.

6) Расчет на устойчивость.

7) Определение запасов прочности.

8) Определение собственных частот и форм колебаний КП.

1.6 Описание метода конечных элементов

1.6.1 Основные понятия метода конечных элементов

В соответствии с основной идеей МКЭ исследуемый реальный объект представляется в виде идеализированной системы, состоящей из конечных элементов соединенных в узловых точках. Такая модель объекта называется конечно-элементной (КЭ-модель).

Под конечным элементом понимается условно неделимая часть объекта, состояние которой полностью определяется выбранными узловыми неизвестными и для которой возможно построение математической модели в удобной для метода форме. В качестве конечных элементов в зависимости от решаемой задачи могут выступать участки сплошной среды, элементы конструкций, элементарные механизмы и т.д.

Узловыми точками или узлами называются геометрические точки, КЭ_модели, в которой стыкуются соседние КЭ или приложено внешнее воздействие, и где определяются узловые неизвестные, описывающие состояние объекта. Положение узловых точек определяется в правой прямоугольной системе координат XOYZ (рис. 1.1а).

Для решения задач механики МКЭ реализован в варианте метода перемещений поэтому в качестве узловых неизвестных выступают различные виды перемещений. Для элементов конструкций это проекции перемещений узловых точек и углов поворота сечений на координатные оси глобальной системы координат, положительные направления которых представлены на рис. 1.1б.

Для некоторых типов КЭ вводятся, также, местные или локальные системы координат, связанные с конкретными элементами.

Рисунок 1.1 - К вопросу о системе координат и узловых перемещений:

а - система координат; б - узловые перемещения

1.6.2 Расчет перемещений и напряжений при статическом нагружении

Расчет перемещений и напряжений при статическом нагружении сводится к решению уравнения

(1.4)

и вычислению напряжений в элементах по полученным в результате решения (1.4) узловым перемещениям.

Матрицы [M] и [C] исключаются из рассмотрения, при этом кинематические граничные условия (заданные перемещения, закрепления) задаются таким образом, чтобы исключить возможность каких либо перемещений КЭ-модели как твердого тела.

К особенностям реализации данной задачи в описываемой программе следует отнести:

- возможность решения для различных вариантов нагружения, отличающихся сочетаниями коэффициентов для заданных нагрузок;

- возможность решения для изменяющихся кинематических граничных условий и нагрузок;

- возможность расчета по деформированной схеме, т.е. с учетом деформаций элементов.

В результате решения этих задач получается набор векторов перемещений, соответствующих заданным условиям, для каждого из которых возможно вычисление напряжений в элементах.

1.6.3. Расчет частот и форм собственных колебаний

Расчет частот и форм собственных колебаний сводящиеся к решению полной проблемы собственных значений, т.е. отыскания значений собственных частоты w и вектора Q_i, удовлетворяющих уравнению

(1.6)

где i=1,2,3,…n;

n - число собственных частот модели, которые, начиная с минимальной, необходимо определить.

Задача решается методом итераций в подпространстве /1/. Значение n указывается в исходных данных.

Задача решается методом итераций в подпространстве. Значение n указывается в исходных данных.

Для расчётов колебаний при незакреплённой модели, а также для определения частот и форм начиная с какой либо фиксированной частоты предусмотрена возможность сдвига частот на заданную величину. В этом случае связь собственных частот и частоты сдвига определяется выражением

(1.7)

подстановка которого в уравнение (1) приведёт к уравнению вида

. (1.8)

Из последнего уравнения находятся сдвинутые собственные значения , по которым отыскиваются искомые собственные частоты.

Величина задаётся в исходных данных.

При расчёте свободных от закреплений конструкций использование сдвига позволяет сформировать обычно положительно определённую матрицу вида

. (1.9)

Это обеспечивает устойчивость вычислений на этапе вычисления приближений собственных векторов.

1.6.4 Точность метода конечных элементов

Погрешность в результатах расчета при использовании метода конечных элементов складывается, в основном, из погрешности самого метода, заменяющего упругое тело с бесконечным числом степеней свободы (погрешность дискретизации) и погрешности округления чисел при выполнении вычислительных операций на ЭВМ.

Погрешность дискретизации зависит от следующих факторов:

- выбора предполагаемого закона изменения перемещений или напряжений и узловых неизвестных;

- точности приведения внешней нагрузки к узловым усилиям;

- размер конечного элемента.

Ошибка округления всегда возрастает при увеличении числа конечных элементов. Это связано с увеличением числа арифметических операций.

Необходимо отметить, что уменьшение размера конечного элемента приводит, с одной стороны, к возрастанию погрешности округления, а с другой, к уменьшению погрешности дискретизации.

Таким образом, при составлении модели (разбиении на конечные элементы) необходимо разумно выбирать форму и размеры конечных элементов, перемещения которых могли бы, с достаточной степенью точности, описать перемещения упругого тела, что приводит к высокой точности получаемых результатов.

1.6.5 Описание пакета прикладных программ

Программа предназначена для расчетов перемещений, напряжений и деформаций в пространственных конструкциях и деталях, представляемых методом конечных элементов в виде систем, состоящих из стержней, пластин, объемных элементов, элементов, рассматриваемых как твердое тело, гибких нитей и различных связей, при статическом и динамическом характере приложения внешних нагрузок, частот и форм собственных колебаний, амплитуд вынужденных колебаний, а также инерционных характеристик деталей сложной формы.

Программа также служит для анализа пространственных конструкций и обеспечивает решение следующих задач:

- расчет деформационных перемещений при статическом нагружении;

- расчет перемещений и напряжений при динамических нагрузках в рамках допущения о малых перемещениях;

- расчет перемещений и напряжений в элементах в конструкций при динамических нагрузках с учетом больших кинематических перемещений;

- определение частот и форм собственных колебаний конструкций;

- расчет амплитуд вынужденных колебаний (вибраций);

- расчет усилий и напряжений в стержнях, пластинах, оболочках и объемных элементах (при этом обеспечивается расчет как компонент, так и эквивалентных напряжений) и коэффициентов запаса по напряжениям для всех видов перемещений конструкции;

- вычисление массы и моментов инерции конструкций;

- расчет тепловых полей при стационарных и нестационарных процессах;

- расчет напряжений от совместного действия тепловых полей и нагрузок.

Ввод исходных данных осуществляется с помощью встроенных специализированных текстового и графического редакторов.

Результаты представляются в таблично-текстовой форме с необходимыми краткими комментариями, сгруппированными по виду результата, а также в графическом виде.

В основе алгоритма решения задач заложен метод конечных элементов, сущность которого заключается в представлении исследуемой конструкции в виде совокупности элементов простой конфигурации, называемых конечными элементами (КЭ), стыкующихся в узловых точках.

1.6.6 Описание используемых элементов из библиотеки пакета

В данном разделе кратко описаны конечные элементы, реализованные в программе при построении конечно-элементной модели КП «Нева».

1.6.6.1 Объемный конечный элемент

Для моделирования элементов конструкций, испытывающих объемное напряженно-деформированное состояние и (или) участвующих в процессах распространения тепла в программе реализован объемный КЭ с восьмью узлами-гексаэдр (рисунок 1.2а), который, при необходимости, может вырождаться в элементы с меньшим числом узлов (рисунок 1.2б-г). Элемент имеет линейные функции формы и три степени свободы в каждом узле в виде проекций перемещений узлов на оси системы координат. КЭ данного типа описывается номерами узловых точек, в порядке их локальной нумерации - i, j, k, l, m, n, o, p.

Кроме того, для вычисления его матриц жесткости и инерции необходимо задать механические свойства материала, а для решения задач распространения тепла - его теплоёмкость и теплопроводность. Напряжённое состояние элемента характеризуется проекциями нормальных и касательных напряжений на оси системы координат. Вычисление напряжений осуществляется в глобальной системе координат. Локальная система координат (рисунок 1.2а) используется для армированных элементов при ориентации арматуры в локальной системе координат, или для частных (например, симметричных относительно осей) задач. В этих случае напряжения в арматуре определяются в локальной системе координат. Начало локальной системы координат лежит в центре (на пересечении диагоналей) грани mnop, ось ox проходит через центр грани ijkl, а центр грани jnok лежит в плоскости xoy.



Рисунок 1.2 - Объемный конечный элемент: а - элемент и его местная система координат; б, в, г - вырожденные элементы

Особенностью реализации данного элемента в описываемой программе является возможность жесткой связи с элементами, имеющими по шесть степеней свободы в узле, а также задания жесткого закрепления в узле. В этих случаях для элемента выполняется переход в узле от трех к шести степеням свободы путем замены (подстановки) перемещений. В узлах элемента также в качестве нагрузок могут быть приложены моменты, а в качестве кинематических граничных условий угловые перемещения.

Состояние конечного элемента как участка сплошной среды описывается компонентами тензора напряжений на оси локальной и глобальной систем координат. Требуемые для вывода величины указываются пользователем. Для армированных элементов состояние наполнителя описывается как сплошной среды, а состояние арматуры в соответствие с заданным способом ориентации может описываться нормальными напряжениями в проекциях на оси глобальной или локальной систем координат соответственно).

Материал элемента может быть изотропным, анизотропным или ортотропным. Для анизотропного и ортотропного материала направления деформаций соответствуют направлениям осей локальной системы координат элемента.

1.6.6.2 Пластина

В программе реализованы элементы плоских четырехугольных пластин постоянной толщины (рисунок 1.3а), испытывающих плоское напряженное состояние в плоскости пластины и изгиб. При необходимости элемент может вырождаться в треугольник (рисунок 1.3б). Элемент имеет шесть степеней свободы в каждом узле в виде проекций перемещения и углов поворота на оси системы координат. Для описания элемента необходимо указать номера его узлов i, j, k, l, толщину и механические свойства материала.

Рисунок 1.3 - Элемент плоской пластины: а - элемент и его локальная система координат; б - вырожденный элемент

Локальная система координат элемента xoyz ориентирована следующим образом:

- начало расположено в центре элемента (на пересечении диагоналей);

- ось ox параллельна прямой, проходящей через середины сторон ij и kl;

- плоскость xoy параллельна прямой, проходящей через середины сторон jk и il.

Изгиб пластины и деформации в плоскости пластины рассматриваются независимо.

При рассмотрении изгибных деформаций полагается, что серединная поверхность пластины лежит в плоскости xoy локальной системы координат элемента.

При отображении напряжений в элементе в графическом режиме элемент делится на области, в которых отображаемые напряжения находятся в определенных интервалах, и окрашиваются соответствующим уровню напряжений цветом.

В связи с тем, что пластины в пространстве могут ориентироваться произвольным образом, компоненты напряжений определяются в его локальной системе координат xoyz (рисунок 1.3а).

Материал элемента может быть изотропным, анизотропным или ортотропным. Для анизотропного и ортотропного материала направления деформаций соответствуют направлениям осей локальной системы координат элемента.

1.6.6.3 Прямолинейный стержень

В программе реализованы следующие типы прямолинейных стержневых элементов:

- прямолинейный пространственный брус с двенадцатью степенями свободы (рисунок 1.4а), испытывающий деформации растяжения-сжатия и изгиба в двух плоскостях, а также кручения.

- прямолинейный пространственный брус с девятью степенями свободы (рисунок 1.4б), испытывающий деформации растяжения-сжатия и изгиба в двух плоскостях (от предыдущего отличается шарнирным закреплением одного из узлов);

- прямолинейный стержень, испытывающий деформации растяжения-сжатия (рисунок 1.4в).

Для ориентации рассматриваемых элементов в пространстве введены вспомогательная - x'o'y'z' и локальная xoyz системы координат элемента (рисунок 1.5а).

Начало локальной системы координат расположено в точке пересечения нейтральной линии стержня с перпендикулярным ей сечением в котором, также, лежит узел i, ось оx совпадает с нейтральной линией стержня и направлена от узла i к узлу j, оси oy и oz совпадают с главными осями инерции сечения стержня. Начало вспомогательной системы координат расположено в узле i, ось o'x' проходит через узел j, а для ориентации осей o'y' и o'z' реализованы два способа: по двум и по трем узлам (рисунок 1.6 а и б, соответственно). При ориентации по двум узлам полагается, что ось o'y' всегда параллельна плоскости XOY ГСК (на рисунке 1.6а) отображен случай, когда узел i лежит в плоскости XOY и ось o'y' также находится в этой плоскости), а оси o'x' OZ и o'z' лежат в одной плоскости. При ориентации по трем узлам полагается, что ось o'y' лежит в плоскости, проходящей через узлы i, j, k (рисунок 1.6б)

Рисунок 1.4 - Стержневые элементы: а и б - элементы типа брус с 12-ю и 9-ю степенями свободы соответственно; в - стержень, испытывающий только деформации растяжения-сжатия



Рисунок 1.5 - Элементы типа брус: а - вспомогательная и локальная системы координат элемента; б - вариант соединения элементов, когда необходимо задать смещения опасных сечений от узловых точек

Локальная система координат может иметь смещения точек, ориентирующих ось ox в узлах по осям вспомогательной системы координат, которые задаются значениями эксцентриситетов - E_yi, E_zi, E_yj, E_zj (рисунок 1.5а). Эксцентриситеты могут задаваться только в узлах, имеющих шесть степеней свободы. Для шарнирных узлов они равны нулю.

Кроме того, для КЭ можно задать расстояния от узловых точек до сечений, в которых определяются напряжения. Это целесообразно делать в тех случаях, когда реальное сечение стержня находится на значительном расстоянии от узловой точки схемы. Пример такой ситуации представлен на рисунке 1.5б. Напряжения от растяжения-сжатия и изгиба определяются в локальной системе координат стержня в точках сечения, указанных как опасные при задании геометрических характеристик сечения.

Оси oy и oz могут быть повернуты относительно осей o'y' и o'z' на угол f, именуемый в программе углом поворота сечения.

В достаточно широко распространенном частном случае, когда эксцентриситеты и угол поворота сечения равны нулю, оси локальной и вспомогательной систем координат совпадают.



Рисунок 1.6 - Ориентация вспомогательной системы координат: а - по двум узлам; б - по трем узлам

Входные данные.

При непосредственном описании для каждого элемента задаются следующие данные:

1. Номера узлов i, j, k. При ориентации по двум узлам и k = i.

2. Способы соединения с другими элементами в узлах i и j (жесткое или шарнирное).

3. Эксцентриситеты (E_yi, E_zi, E_yj, E_zj).

4. Угол поворота сечения f.

5. Расстояния от узлов до опасных сечений (E_xi, E_xj).

Механические свойства материала указываются в соответствующей записи, располагаемой перед описанием элементов.

Геометрические характеристики сечения указываются в соответствующих записях, располагаемых перед описанием элементов. В качестве геометрических характеристик сечения выступают его площадь F, моменты инерции относительно осей осей oy и oz (J_yy и J_zz соответственно)_, момент сопротивления кручению J_k, а также таблица, содержащая x- y- координаты опасных точек и коэффициенты напряжений для вычисления проекций касательных напряжений от перерезывающих сил и крутящего момента на оси локальной системы координат элемента.

Выходные данные.

Для элемента вычисляются и выводятся амплитудные значения нормальных напряжения от растяжения сжатия, нормальные и касательные напряжения от изгиба в плоскостях xoy и xoz, касательные напряжения от кручения, а также интенсивность напряжений. Напряжения вычисляются в локальной системе координат по силовым факторам и характеристикам сечения. Выводятся амплитудные значения напряжений, определяемые путем последовательных вычислений для всех опасных точек двух сечений, расположенных на заданных расстояниях от узлов i и j.

Кроме напряжений программа обеспечивает вычисление и вывод силовых факторов (растягивающей силы p_x, перерезывающих сил p_y и p_z, изгибающих моментов m_y и m_y в узлах i и j, а также крутящего момента m_x в локальной системе координат) в табличном виде.

Материал элемента может быть изотропным, анизотропным или ортотропным. Для анизотропного и ортотропного материала направления деформаций соответствуют направлениям осей локальной системы координат элемента.

1.6.6.4 Неудерживающая связь

КЭ предназначен для описания случаев контактной связи между парой узлов с нелинейной зависимостью реакции связи от величины деформации. Связь возникает только при наличии деформации сжатия после выбора зазора. Характеризуется константами K и определяющими зависимость реакции от величины деформации и величиной начального зазора D_o (рисунок 1.7), соответствующего исходному положению модели, в виде:

(1.10)

где - приведенная к узлу i деформация,

перемещения узлов i и j соответственно в направлении оси ox локальной системы координат элемента.

Ориентируется также как и стержневые элементы. По результатам расчета перемещений при решении задач для элемента определяется усилие, действующее в направлении оси ox локальной системы координат элемента. На схеме изображается линией зеленого цвета, соединяющей узлы i и j.

В задачах с малыми перемещениями при отрицательном зазоре создает усилие, а при наличии начального зазора из рассмотрения исключается.

При рассмотрении переходных динамических процессов с учётом больших перемещений отслеживается возникновение и исчезновение связи по текущим перемещениям узлов.

Рисунок 1.7 - Неудерживающая связь в локальной системе координат

1.6.6.5 Внешние нагрузки

В программе предусмотрена возможность задания сосредоточенных в узлах нагрузок, моментов и температур, распределенных по длине и поверхности нагрузок, нагрузок распределенных по массе и вызванных воздействием ветра на стержни, а также сосредоточенных усилий, являющихся функцией перемещений или скоростей. На рисунке 1.8 представлены схематические изображения перечисленных типов нагрузок.

В общем случае (за исключением специально оговоренных) направление действия внешних нагрузок задается в глобальной системе координат. При этом за положительное принимается направление внешней силы, совпадающее с направлением соответствующей оси; за положительное направление внешнего момента принимается направление против часовой стрелки, если смотреть с конца соответствующей оси. В программе имеется возможность выбора единиц измерения для различных видов нагрузок.

Рисунок 1.8 - Схематические изображения внешних нагрузок: а и б-сосредоточенные узловые силы и моменты соответственно; в - температуры в узлах; г-распределенные по длине; д-давления; е- сосредоточенные узловые усилия, являющиеся функциями перемещения и скорости

1.6.6.6 Кинематические граничные условия

В узлах возможно задание шарнирных и жестких закреплений, заданных значений перемещений и углов поворота относительно координатных осей в узлах, а также заданных скоростей и ускорений. Все графические элементы, обозначающие кинематические граничные условия, рисуются синим цветом.

На рисунке 1.8. представлены схематические изображения перечисленных типов граничные условия.

Запись рассматриваемого типа предусматривает следующие виды кинематических граничных условий в глобальной системе координат:

- перемещения вдоль осей 0X, 0Y или 0Z;

- поворот относительно осей 0X, 0Y, или 0Z;

- шарнирные или жесткие закрепления.

Ввод исходных данных осуществляется последовательным заданием номера узла, на который наложена связь, типа перемещения и величины перемещения с учетом знака (в частном случае величина перемещения равна нулю).

Правило знаков линейного и углового перемещений такое же, как и для внешних сил и моментов - см. пункт 1.6.6.5. Перемещения указываются в выбранных единицах (линейное в миллиметрах, сантиметрах или метрах, а угловое - в градусах или радианах).

На один узел может накладываться и несколько кинематических граничных условий (например, и линейные и угловые перемещения). При этом номер узла вводится соответствующее число раз с последовательным заданием по одному граничному условию. Шарнирное закрепление моделирует сферический (шаровой) шарнир в реальной конструкции - эквивалент трех элементарных связей; жесткое закрепление - жесткие заделки - эквивалент шести элементарных связей.

В текстовом редакторе ввод исходных данных осуществляется последовательным заданием номера узла, на который наложена связь, и направления. Так же как и для других записей при вводе данных предусмотрены операции дублирования номеров узлов ранее введенных условий с приращениями номеров и значений перемещений на шаге дублирования.



Рисунок 1.8 - Отображение граничных и начальных условий: а -жесткие закрепления; б -шарнирные закрепления; в - заданные перемещения; г -заданные угловые перемещения; д и е - заданные нулевые значения линейных и угловых перемещений; ж - отображение заданных перемещений, скоростей и ускорений (сверху-вниз)

В графическом редакторе ввод кинематических граничных условий водится к заданию условий в помеченных узлах.

1.6.6.7 Редуцирование узлов

Редуцирование узлов в данном случае рассматривается как частный случай кинематических граничных условий, накладывающий на относительное перемещение узлов связь вида

, (1.11)

где {Q_h} - вектор перемещений редуцируемого узла;

{Q_r} - вектор перемещений редуцирущих узлов;

|N| - матрица функций формы, определяющая тип связи.

Условия данного типа удобны при согласовании сеток конечных элементов с разным шагом.

Реализовано два вида редуцирования - по линии и по поверхности.

Данные о редукции по линии и по поверхности группируются в соответствующие записи. Рекомендуется эти записи формировать в конце формирования набора данных.

При вводе данных с помощью графического редактора программа отыскивает группы узлов соответствующие положению редукции по линии на стержневых элементах, рёбрах пластин и объёмных элементов. При поиске ситуации редуцирования по поверхности рассматриваются поверхности пластин и грани объёмных элементов. При этом рассматриваются только помеченные узлы.

Схемы относительного положения редуцирующих и редуцируемых узлов показаны на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Схемы относительного положения редуцирующих и редуцируемых узлов: а - редуцирование по линии; б - редуцирование по поверхности

Редуцирующие узлы могут принадлежать только конечным элементам (стержни, пластины или объёмные элементы). Редуцируемые узлы могут связываться как с элементами, так и с нагрузками.

Графически редуцирующие и редуцируемые узлы выделяются отрезками синего цвета, пересекающими узел под углом 45 град.

1.7 Расчет прочности

1.7.1 Нагрузки действующие на КП

КП воспринимает нагрузки от действия собственного веса, веса навесных элементов и веса ПН.

КП рассчитана на следующие случаи нагружения:

- транспортировка железнодорожным, автомобильным или воздушным транспортом (максимальная поперечная сила, действующая КП);

- выведение (максимальная продольная сила, действующая КП).

Значения перегрузок и коэффициентов безопасности, для рассмотренных случаев нагружения, представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Случай нагружения	Перегрузка	Коэффициент безопасности
	nx	ny	nz	fст
Выведение	-14	-4,5	-	1,3
Транспортировка	3	3	3	2

Расчетные перегрузки представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Случай нагружения	Перегрузка
Выведение	-18,2	-5,85	-
Транспортировка	6	6	6

Расчетные нагрузки, распределенные по массе, представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Случай нагружения	Перегрузка
Выведение	-178,54	-57,39	-
Транспортировка	58,86	58,86	58,86

В таблице 1.4 представлены массовые характеристики элементов конструкции космической платформы "Нева".

Таблица 1.4 - Массовые характеристики космической платформы «Нева»

Наименование элемента	Кол., шт.	Масса, кг, не более
		одного	всего
КП "Нева"	-	-	150
Батарея фотоэлектрическая	2	9	18
Блок двигательной установки	1	-	25
Заправка топливом		-	25
Термостабилизированная панель 1 с блоками приборов	1	-	18
Термостабилизированная панель 2 с блоками приборов	1	-	18
Термостабилизированная панель 3 с блоками приборов	1	-	18
Термостабилизированная панель 4 с блоками приборов	1	-	18
Антенна	2	0,3	0,6
Магнитометр	2	0.2	0,4

Зная массы элементов конструкции, находим их приведенную плотность с учетом объема конечно-элементных моделей, и вводим полученные значения в исходные данные для расчетов.

Приведенные плотности расчетных элементов конструкции приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Элемент конструкции	Элемент конструкции	Плотность,
ДУ	Блок хранения и подачи топлива с топливом	17000
	Силовая конструкция	350
Приборы термостабилизированной панели 1	-	473
Приборы термостабилизированной панели 2	-	531
Приборы термостабилизированной панели 3	-	1033
Приборы термостабилизированной панели 4	-	640
Фотопреобразователи	-	14000*
* - плотность материала профиля СБ

1.7.2 Построение конечно-элементной модели КП

Конечно-элементная КП строится с помощью программного комплекса «Зенит»-95 использующего метод конечных элементов для решения задач статики, динамики и др.

Метод конечных элементов широко используется для решения указанных задач и (как приближенный метод расчета) дает результаты близкие к точным решениям.

При построении конечно-элементной модели КП были использованы объемные конечные элементы, элементы типа «пластина», а также стержневые конечные элементы.

Размеры элементов определялись размерами моделируемых элементов конструкции и их взаимным расположением.

Конечно-элементная модель для расчета КП представлена на рисунке 1.10. Структура набора данных конечно-элементной модели приведена в приложении В.

В состав конечно-элементной модели входит модель адаптера.

При построении конечно-элементной модели адаптера были использованы элементы типа «пластина» и объемные конечные элементы.

Для передачи нагрузки от ПН на КП используется упрощенная модель ПН, при построении которой были использованы объёмные конечные элементы и элементы типа «пластина».

Для передачи нагрузок от приборов, установленных на термостабилизированных панелях, на силовые элементы конструкции использовались объёмные элементы.

Некоторые составные части КЭМ с различным шагом сетки элементов соединены между собой при помощи редуцирования.

Рисунок 1.10 - Конечно-элементная модель КП

В запас прочности в расчете принято, что фланец РБ абсолютно жесткий.

Конечно-элементная модель КП для расчета случая «Выведение» закреплена от перемещений в направлениях осей Х, У и Z в местах крепления адаптера к РБ.

Конечно-элементная модель КП для расчета случая «Транспортировка» закреплена от перемещений в направлениях осей Х, У и Z в местах крепления адаптера к задней опоре и в направлении оси У в местах контакта с передней опорой.

1.7.3 Прочность элементов конструкции КП

Расчет напряженно-деформированного состояния элементов конструкций КП проведен методом конечных элементов, с помощью программы расчета динамики и прочности конструкций «Zenit_95» /1/.

Механические характеристики материалов расчетных элементов конструкции приведены в таблице 4.8.

Таблица 1.6

Элемент конструкции	Материал	в, МПа	т, МПа
Каркас	АМг6М	315	145
Панели	АМг6М	315	145
Адаптер	АМг6 ГОСТ 17232	295	135
БС	АМг6М	315	145
Болт	ОХН3М-б ТУ14-1-4058-85	980	785
Штырь	30ХГСА ГОСТ 4543	980	785
Кронштейн	АМг6 ГОСТ 17232	295	135

В результате расчета напряженно-деформированного состояния КП методом конечных элементов были получены напряжения в узлах и элементах конструкции, реакции в узлах крепления и усилия, возникающие в конструкции.

1.7.3.1 Каркас

Каркас представляет собой сварную металлоконструкция из уголка 40Ч40Ч4 сплава АМг 6. Габаритный чертеж каркаса представлен на рисунке 1.11.



Рисунок 1.11 - Габаритный чертеж каркаса

При моделировании каркаса использовались конечные элементы типа «пластина».

Шаг узлов на профилях каркаса совпадает с шагом винтов на термостабилизированных панелях.

Расчетным случаем для каркаса является случай «Выведение».

Максимальные напряжения в каркасе возникают в местах крепления панелей.

Максимальные эквивалентные напряжения возникают в узле № 369.

=286,7 МПа.

Запас прочности

; (1.12)

h=

Конечно-элементная модель каркаса с отображением номера узла с наибольшими напряжениями представлена на рисунке 1.12.

Деформированное состояние каркаса в случае «Выведение» представлено на рисунке 1.13.

Рисунок 1.12 - Конечно-элементная модель каркаса с отображением номеров узлов с наибольшими напряжениями

Рисунок 1.13 - Деформированное состояние каркаса в случае «Выведение»

1.7.3.2 Устойчивость уголка каркаса

Максимальные сжимающие напряжения сж в уголке каркаса возникают в узле № 308 в случае «Выведение».

_сж=43,8 МПа

Критические напряжения рассчитаны по формуле Эйлера /2/

, (1.13)

где с=4 - коэффициент заделки;

м - длина трубы;

i_min - минимальный радиус инерции сечения, м

; (1.14)

где - площадь сечения, м^2;

- момент инерции, м⁴.

.

Тогда

МПа.

Так как _кр>_т, то _кр принимается равным _т и тогда формула для расчета запаса устойчивости формы примет следующий вид

; (1.15)

МПа

1.7.3.3 Панели

Панели представляют собой цельную прямоугольную конструкцию из сплава АМг 6 размером 710710.

При моделировании панелей использовались конечные элементы типа «пластина».

Расчетным случаем для панелей является случай «Выведение».

Максимальные напряжения в панелях возникают в местах крепления панелей к каркасу.

Максимальные эквивалентные напряжения возникают в узле № 278 панели номер 2.

=97,2 МПа.

Запас прочности

; (1.16)

h=

Конечно-элементная модель панелей с отображением номера узла с наибольшими напряжениями представлена на рисунке 1.14.

Деформированное состояние панелей в случае «Выведение» представлено на рисунке 1.15.

Рисунок 1.14 - Конечно-элементная модель панелей с отображением номера узла с наибольшими напряжениями

Рисунок 1.15 - Деформированное состояние панелей в случае «Выведение»

1.7.3.4. Адаптер

Адаптер представляет собой металлоконструкцию выполненную способом сварки из швеллеров и фитингов.

При моделировании адаптера использовались конечные элементы типа «пластина» и объёмные элементы.

Габаритный чертеж адаптера представлен на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 - Габаритный чертеж адаптера

Расчетным случаем для адаптера является случай «Транспортировка».

Максимальные напряжения в адаптере возникают в местах крепления панелей к каркасу.

Максимальные эквивалентные напряжения возникают в узле № 5975

=103,73 МПа.

Запас прочности

; (1.17)

h=

Конечно-элементная модель адаптера с отображением номера узла с наибольшими напряжениями представлена на рисунке 1.17.

Деформированное состояние адаптера в случае «Транспортировка» представлено на рисунке 1.18.

Рисунок 1.17 - Конечно-элементная модель адаптера с отображением номера узла с наибольшими напряжениями



Рисунок 1.18 - Деформированное состояние адаптера в случае «Транспортировка»

1.7.3.5 БС

БС представляет собой конструкцию, состоящую из профилей различного сечения, а также элементов крепежа. Элементы конструкции БС соединяются между собой с помощью сварки, болтов и винтов.

Габаритный чертеж БС представлен на рисунке 1.19.

При моделировании панелей БС использовались конечные элементы типа «пластина» и стержневые конечные элементы.

В запас прочности жёсткость сетки с наклеенными фотопреобразователями в расчете не учитывалась.

Расчетным случаем для панелей является случай «Транспортировка».

Максимальные напряжения в профиле панелей возникают в элементе № 122.

=156,7 МПа.

Запас прочности

; (1.18)

h=

Конечно-элементная модель панелей с отображением номера узла с наибольшими напряжениями представлена на рисунке 1.20.

Деформированное состояние панелей в случае «Выведение» представлено на рисунке 1.21.

Рисунок 1.19 - Габаритный чертеж БС

Рисунок 1.20 - Конечно-элементная модель БС с отображением номера элемента с наибольшими напряжениями



Рисунок 1.21 - Деформированное состояние БС в случае «Транспортировка»

1.7.3.6 Пироболт 8Х55

Расчетным случаем для пироболта является случай «Транспортировка».

В этом случае растягивающая сила Н.

Для расчета нагрузок на ПБ использовалась КЭМ, представленная на рисунке 1.23. Момент затяжки болта (в соответствии с техническими требованиями чертежа)

Схема нагружения болта представлена на рисунке 1.22.



Рисунок 1.22- Схема нагружения пироболта



Рисунок 1.23.- Расчетная схема для нахождения нагрузок в элементах крепления КП к адаптеру

Усилие на болт при наличии затяжки

, (1.19)

f=1,5 - коэффициент безопасности.

где Q_зат - усилие затяжки болта, Н;

=0,3 - коэффициент основной нагрузки.

Усилие затяжки болта

, (1.20)

где - максимальный момент на ключе.

Н.

Н.

Напряжение растяжения в резьбовой части болта, МПа

 (1.21)

Где F₁=42,4110^-6 м² - площадь поперечного сечения резьбы по внутреннему диаметру резьбы.

Предел прочности

Запас прочности

(1.22)

Напряжение от усилия затяжки, МПа

(1.23)

МПа.

Касательные напряжения от кручения при затяжке болта

, (1.24)

где М_кр - крутящий момент в резьбе, при затяжке болта;

d₁=8,210^-3 м - внутренний диаметр резьбы болта.

Итак,

М_кр;

Эквивалентные напряжения в резьбовой части болта

; (1.25)

=9,24 МПа.

Запас прочности

(1.26)

Напряжение среза витков резьбы болта

(1.27)

где k₁= 0,75 - коэффициент полноты резьбы;

H - эффeктивнaя глубина завинчивания болта, м,

; (1.28)

S=1,510^-3 м - шаг резьбы болта;

k_m - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по виткам

. (1.29)

МПа.

Коэффициент запаса прочности

(1.30)

1.7.3.7 Штырь

Расчетным случаем для этого штыря является случай «Транспортировка». Расчетная схема для этого случая представлена на рисунке 1.23

Расчет штыря на срез производится по формуле

(1.31)

где = 5377.83 Н, =-7571.88 - расчетные перерезывающие силы, полученные в результате расчета реакций в закреплениях.

Результирующая расчетная перерезывающая сила, действующая на штырь, вычисляется по формуле

; (1.32)

Н.

Итак,

Предел прочности

= 980,00 МПа.

Запас прочности

(1.33)

1.7.3.8 Кронштейн

Кронштейн представляет собой металлоконструкция из сплава АМг 6, полученную путем механического фрезерования. Габаритный чертеж кронштейна представлен на рисунке 1.24.

Рисунок 1.24 - Габаритный чертеж кронштейна

При моделировании кронштейна использовались объёмные конечные элементы.

Расчетным случаем для кронштейна является случай «Выведение».

В этом случае на кронштейн действуют следующие нагрузки: F_x= -34Н; F_y= 183Н; F_z= 654Н; M_x= 10,4 Нм; M_Y= 11,7 Нм; M_Z=-4,13 Нм.

Эти нагрузки получены в результате расчета МКЭ.

Максимальные эквивалентные напряжения возникают в узле № 697.

=110 МПа.

Запас прочности

; (1.34)

h=

Конечно-элементная модель кронштейна с отображением номера узла с наибольшими напряжениями представлена на рисунке 1.25.

Деформированное состояние кронштейна с отображением номера узла с наибольшим напряжениями в случае «Выведение» представлено на рисунке 1.26.

Рисунок 1.25 - Конечно-элементная модель кронштейна с отображением номера узла с наибольшим напряжениями



Рисунок 1.26 - Деформированное состояние кронштейна в случае «Выведение»

1.8 Частоты и формы собственных колебаний конструкции КП

Частоты и формы собственных колебаний рассчитывались с помощью метода конечных элементов.

Расчетная схема, для расчета частот и форм колебаний конструкции КП, представлена на рисунке 1.27.

Рисунок 1.27 - Расчетная схема частот и форм колебаний конструкции КП

Было рассчитано 5 форм колебаний КП.

Результаты расчета представлены в таблице 1.7.

Первая форма колебаний представлена на рисунке 1.28.

Таблица 1.7

№п/п	Собственные частоты, герц
1	12,5
2	12,6
3	16,9
4	17,1
5	18,2

Рисунок 1.28- Первая форма колебаний

1.9 Анализ результатов расчёта

Результаты проведенных расчетов показали, что расчетным случаем нагружения конструкции КП является случай «Выведение».

Проведенные расчеты показали, что конструкция КП удовлетворяет нормам прочности.

Минимальный запас прочности у каркаса в случае «Выведение» - =1,1.

Собственные частоты изделия в целом (консольно-закрепленного) не выше 5 Гц, что соответствует требованиям норм.

2. Технико-экономический раздел

2.1 Оценка сроков и затрат на создание космической платформы «НЕВА»

В настоящем разделе представлены результаты оценок прогнозируемых затрат на создание космической платформы (КП) "Нева" (головной разработчик - КБ "Арсенал").

Оценка прогнозируемых затрат проведена на основе следующих положений, изложенных в "Укрупненном план - графике…" (рисунок 2.1):

1. Изготовитель КП "Нева" - КБ "Арсенал"

2. Наземная экспериментальная отработка КП "Нева" будет проводиться на двух макетах:

- макете для зачетных статических испытаний;

- технологическом электрически действующем макете (ТЭД) КП "Нева".

3. Управление КП, прием и обработку информации планируется осуществлять с одного НИУКа.

Собственные затраты КБ "Арсенал" складываются из затрат на:

1. Разработку конструкторской документации (КД), эксплуатационной документации (ЭД), технологической документации (ТД), программно-математического обеспечения (ПМО).

2. Изготовление технологического оборудования, организацию рабочих мест сборки КП и проведения комплексных испытаний КП, комплекта наземного технологического оборудования (КНТО), макетов и опытного образца КП.

Оценка собственных затрат проведена на основании трудоемкости всех видов работ, рассчитанной по действующим в КБ "Арсенал" "Нормам времени" и экономическим показателям 2003 года:

- средняя заработная плата - 6200,0 руб.;

- накладные расходы - 89%;

- отчисления на социальные нужды - 35,9%;

- прибыль (от себестоимости собственных работ) - 25%.

Трудоемкость собственных работ на выпуск КД, ЭД, ТД, ПМО составляет 750000 нормо-часов, что соответствует объему затрат 78,750 млн. руб.

Изготовление специального технологического оборудования, стапелей, КНТО, макетов КП и опытного образца КП для проведения ЛИ, приобретения КИА, организация РМ сборки и КИ КП, проведение КИ КП - 40,0 млн. руб.

Оценка затрат предприятий - соисполнителей, входящих в состав кооперации, проведена непосредственно исполнителями работ с участием представителей КБ "Арсенал".

В соответствии с принятой в КБ "Арсенал" методикой проведена оценка стоимости изготовления опытного образца КП "Нева" для проведения ЛИ и ТЭД КП, для проведения наземной экспериментальной отработки. Результаты оценки представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты оценки затрат на изготовление опытного образца КП "Нева", ТЭД КП "Нева"

Наименование систем,	Стоимость, млн.руб.
1	2
Опытный образец КП "Нева" для ЛИ
1 Конструкция КП	5,0
2 Система электроснабжения (СЭС)	9,8
3 Система ориентации и стабилизации (СОС)	7,0
4 Двигательная установка (ДУ)	8,5
5 Бортовой информационно-управляющий комплекс (БИУК)	4,0
6 Средства обеспечения теплового режима (СОТР)	1,0
7 Электрооборудование, БКС	1,0
Итого	36,3

Как видно из таблицы 2.1 затраты на изготовление опытного образца КП "Нева" в КБ "Арсенал" составляют 40,0 млн.руб.; ТЭД КП 37,0 млн.руб.

Результаты оценки суммарных прогнозирующих затрат на создание КП "Нева" представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Результаты оценки прогнозируемых затрат на создание КП "Нева" и наземной инфраструктуры

Перечень работ	Стоимость, млн.руб.
1	2
1 Выпуск КД, ЭД, ПМО (с учетом затрат предприятий-смежников)	123,0
2 Подготовка производства на предприятиях-изготовителях	5,0
3 Изготовление материальной части для АИ, проведение АИ	60,0
4 Изготовление макетов КП "Нева":	42,0
- для ЗСТИ;	5,0
- ТЭД	37,0
5 Наземные испытания КП "Нева". Корректировка КД и ЭД по результатам испытаний	15,0

Как видно из таблицы 2.2 суммарный прогнозируемый объем затрат на создание КП "Нева" составляет 400,0 млн. руб. (без НДС).

Ориентировочное распределение прогнозируемого объема затрат на создание КП "Нева" по годам представлено в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Распределение прогнозируемых затрат на создание КП "Нева" по годам

Суммарный прогнозируемый объем затрат, млн.руб.	В том числе по годам, млн.руб.
	1 год	2 год	3 год
400,0	180,0	150,0	70,0

Распределение прогнозируемого объема затрат, представленное в таблице 2.3, получено на основании анализа "Укрупненного план - графика…", обеспечивающего выполнение создания КП "Нева".

3. Охрана труда

В настоящем разделе рассматриваются проблемы охраны труда и окружающей среды, возникающие при работе на персональном компьютере (ПК).

Охрана труда - система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда. Научно-технический прогресс внес серьезные изменения в условия производственной деятельности работников умственного труда. Их труд стал более интенсивным, напряженным, требующим значительных затрат умственной, эмоциональной и физической энергии. Это потребовало комплексного решения проблем эргономики, гигиены и организации труда, регламентации режимов труда и отдыха.

Данный раздел дипломного проекта посвящен рассмотрению следующих вопросов:

определение оптимальных условий труда пользователя компьютера;

расчет вентиляции;

расчет освещенности;

3.1 Определение оптимальных условий труда пользователя компьютера

Проектирование рабочих мест, снабженных видеотерминалами, относится к числу важнейших проблем эргономического проектирования в области вычислительной техники.

Рабочее место - это часть пространства, в котором инженер осуществляет трудовую деятельность, и проводит большую часть рабочего времени. Рабочее место, хорошо приспособленное к трудовой деятельности инженера, правильно и целесообразно организованное, в отношении работы. В частности, при организации рабочего места программиста должны быть соблюдены пространства, форм...