Конечно-элементное моделирование композитного бака высокого давления для космического аппарата

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Ксеноновый бак высокого давления (КБВД) вместимостью не менее 300 кг рабочего тела (ксенона) является одним из основных элементов апогейной электрореактивной двигательной установки.

Формирование технических требований на бак обусловлено его основным назначением – хранение ксенона в составе системы коррекции геостационарного КА. техническим заданием на проектирование бака были заданы требования на его размещение в КА – внутри силовой центральной трубы сетчатой конструкции с внутренним диаметров около 1200 мм.

Форма бака была выбрана в виде изотенсоида. Соединение с силовой конструкцией корпуса КА (центральной трубой) осуществляется с помощью вантовой конструкции, которая включает 24 точки крепления. Общий вид бака и соединительных элементов приведен на рис.1-2

Рис.1. Ксеноновый бак высокого давления

Рис.2. Общий вид и система соединения бака с силовой центральной трубой

Конструктивно бак состоит из внутреннего герметизирующего слоя (лейнера), изготовленного из титанового сплава ВТ-0 (рис.3), и наружного несущего слоя из углепластика на основе высокопрочных волокон.

Лейнер представляет собой тонкостенную сварную оболочку, состоящую из двух половин переменной толщины (от 0,8 мм на экваторе до 1,5 мм на полюсах). Композитная силовая оболочка изготавливается методом непрерывной мокрой спиральной намотки ленты из высокопрочных углеродных волокон.

Основные характеристики однонаправленного композита: плотность 1,54 г/см³; предел прочности при растяжении 2500 МПа; модуль упругости при растяжении 173 ГПа.

Рис.3. Контрольные точки на поверхности лейнера и их координаты

Допущения. Для создания расчетной модели использовался метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в системе моделирования и конечно-элементного анализа конструкций NX Nastran.

В модели приняты следующие допущения:

- все материалы элементов конструкции считаются сплошными и однородными;

- металлические сплавы и композитные материалы считаются изотропными и линейно-упругими материалами;

- для оболочки из композитного материала направление укладки волокон учитывается через приведенный модуль упругости;

- деформации в точках конструкции считаются малыми (геометрически линейная система) и жесткость конструкции не меняется;

- плоские элементы построены по средним линиям конструкции.

КЭМ подготовлена с помощью программы FEMAP v11.2.1.

Предварительные расчеты.

Для композитной оболочки в КД определены только толщина и угол намотки волокна на экваторе. Т.к. толщина оболочки изменяется обратнопропорционально радиусу, можно легко определить ее значение в каждой точке оболочки; такая же зависимость существует и для угла намотки. Вычисленные значения показаны в табл. 1.

По тому же алгоритму были вычислены приведенные модули упругости композитной оболочки (табл. 2) на различных её участках (рис. 4).

Таблица 1. Данные для построения КЭМ КБВД

Рис. 4. Участки композитной оболочки КБВД в различными модулями упругости

Таблица 2. Модули упругости композитной оболочки на раличных участках

Описание КЭМ. КБВД представляет собой симметричную конструкцию, поэтому для построения КЭМ по имеющимся координатам (рис.3) была построена образующая половинки лейнера и поверхность, представляющая собой сектор углом 3° (рис.5). Данный сектор разбивался на конечные элементы таким образом, чтобы количество элементов поперек образующей было равно 1.

Так как конструкция КБВД в целом представляет собой тонкостенную оболочку, было принято решение моделировать ее плоскими элементами типа PLATE, задавая для них в соответствующих точках толщину. Элементы лейнера и композитной оболочки имеют общие узлы. Положение элементов композитной оболочки и лейнера относительно друг друга и относительно построенной поверхности задавалось параметром OFFSET.

Патрубок в полюсной части имитировался элементами типа PLATE большой толщины.

Построенные конечные элементы копировались таким образом, чтобы получить сегмент 90° (рис.7). Граничные условия определяли симметрию полученного сегмента относительно трех плоскостей.

Рис. 5. Повехность сегмента лейнера

Рис.6. Принцип моделирования соедниненных между собой оболочек элеметнами типа PLATE

Рис.7. Конечно-элементная модель КБВД

Прикладывая к внутренней поверхности лейнера давление 11,8 МПа (рис.7), получим напряженно-деформированное состояние КБВД. На рис.8 показано напряженно-деформированное состояние титанового лейнера. на рис.9 – композитной оболочки.

Рис.7. КЭМ КБВД, нагруженного внутренним давлением

Рис.8. Напряженно –деформированное состояние лейнера

Рис.9. Напряженно –деформированное состояние композитной оболочки

Максимальные эквивалентные напряжения:

- в лейнере возникают в зоне соединения с патрубком КБВД и равны σ_экв = 398,7 МПа;

- в композитной оболочке возникают в зоне экватора и равны σ_экв = 591 МПа.