Анализ механических свойств секций пространственных стержневых ферменных конструкций
Автор: С. А. Зоммер, А. П. Кравчуновский
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Новые материалы и технологии в космической технике
Статья в выпуске: 3, 2022 года.
Бесплатный доступ
В работе представлены результаты расчетных исследований секций пространственных ферменных конструкций. Они могут применяться в качестве элементов крупногабаритных силовых конструкций на космических аппаратах для закрепления бортового оборудования. Расчеты проводились методом конечных элементов в программном пакете FEMAP с решателем Nastran. Для исследования была выбрана секция, представляющая собой набор прямолинейных стержней, жестко соединенных в узлах таким образом, что поперечное сечение ферменной конструкции представляет собой треугольник. Приведены расчетные модели и процедуры расчета и анализа полученных результатов. Цель расчета – определить, как влияет взаимное расположение стержней в конструктивно-компоновочной схеме на механические свойства конструкции. Изменение конструктивно-компоновочных схем ферменных конструкций проводилось последовательным добавлением стержней и вариацией их соединения. Далее проводилась оценка влияния принятых изменений на механические свойства конструкции. Таким образом разработаны шесть конструктивно-компоновочных схем секций ферменной конструкции, полученные по результатам исследования. По результатам анализа было выявлено, что каждая конструкция обладает уникальными механическими свойствами, на основании чего даны рекомендации по выбору определенной конструктивно-компоновочной схемы секции в зависимости от требуемых условий эксплуатации и допустимой технологии изготовления. Выбраны конструктивно-компоновочные схемы секций с наиболее высокими показателями прочности и несущей способности для использования в составе пространственных ферменных штанг космических аппаратов.
Ферменная конструкция, стержневая конструкция, механический анализ, жесткость, прочность, космический аппарат
Короткий адрес: https://sciup.org/14123835
IDR: 14123835 | УДК: 629.7.015.4 | DOI: 10.26732/j.st.2022.3.03
Analysis of mechanical properties of spatial truss structures sections
The paper presents the results of computational study of sections of spatial truss structures. They can form large supporting structures on spacecraft to place onboard equipment. The calculations were carried out by the finite element method in FEMAP with Nastran. The chosen section, the object of study, is a set of straight rods rigidly connected at the nodes in such a way that the cross section of the truss structure is a triangle. Calculation models, procedures for calculation and results analysis are presented. The purpose of the calculation is to determine how the relative position of the rods in the structural scheme affects the mechanical properties of the structure. The main criterion for strength estimating was the magnitude of the stresses derived by load. Stiffness was determined by the value of the first natural frequency. The sequential addition of rods and varying their connection allow modifying the structural schemes of truss structures. Next, the mechanical properties of the structure which effected by made modifications were evaluated again. Thus, six structural schemes of sections of the truss structure, obtained from the results of the study, have been developed. At the same time, the mass of the section, its shape and dimensions, the material and shape of the rods section as well as the initial and boundary conditions, remained unchanged. Based on the results of the analysis, someone can notice that each structure has unique mechanical characteristics. Thus, the paper gives recommendations for choosing a specific structural scheme of the section, depending on the required operating conditions and acceptable manufacturing technology. So, the criteria for choosing one of the above various sections of a truss structure or the principle of its building can be the complexity of manufacturing, maximum stiffness and strength, or minimum displacement. Structural schemes of sections with the highest strength and capability have been selected for use as part of spatial truss rods of spacecraft.
Список литературы Анализ механических свойств секций пространственных стержневых ферменных конструкций
- Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие. Красноярск : Сиб. гос. аэрокосм. ун-т., 2011. 488 с.
- Черномаз В. И., Свищев В. В., Доронин А. В., Гончаров К. А., Моишеев А. А. Силовой каркас для космической аппаратуры. Пат. № 2610070 Российская Федерация, 2017. Бюл. № 4.
- Шайда А. Н., Стратилатов Н. Р., Кирилин А. Н., Ахметов Р. Н., Максимов С. В. Силовая ферма космического телескопа. Пат. № 2417389 Российская Федерация, 2011. Бюл. № 12.
- Малков И. В. Научные основы технологии формообразования намоткой углепластиковых элементов ферменных конструкций космических аппаратов : автореф. дис. … д-ра техн. наук. М., 2001. 32 с.
- Биткин В. Е., Жидкова О. Г., Денисов А. В., Бородавкин А. В., Митюшкина Д. В. Проектирование размеростабильной несущей конструкции корпуса оптико-электронного модуля из углепластика для космического аппарата // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 4–3. С. 571–577.
- Чирас А. А. Строительная механика: теория и алгоритмы. М. : Стройиздат, 1989. 255 с.
- Гнездилов В. А. Пространственная конструкция. Пат. № 2515487 Российская Федерация, 2014. Бюл. № 13.
- Неталиев О. А. Пространственная конструкция-структура повышенной сейсмостойкости. Пат. № 2466245 Российская Федерация, 2012. Бюл. № 31.
- Седова Н. М., Рыжков А. А., Котов И. А., Улрик С. А. Трехмерная ферменная структура башенного типа. Пат. № 2347048 Российская Федерация, 2009. Бюл. № 5.
- Грунин Е. П., Шикера В. В. Ферменная трубчатая конструкция. Пат. № 10676 Российская Федерация, 1999.
- Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М. : Мир, 1979. 392 с.
- Рычков С. П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М. : ДМК Пресс, 2013. 784 с.
- Селиверстов Г. В., Шпаченко Е. Н. Анализ ферменной конструкции концевой балки грузовой тележки мостового крана // Строительные и дорожные машины. 2020. № 10. С. 30–33.
- Цой Д. Ч., Чебровский А. А. Анализ зарубежного опыта исследований стальных ферменных конструкций // Материалы 60-й студенческой научно-технической конференции инженерно-строительного института ТОГУ. Хабаровск. 2020. С. 429–437.
- Тиньков Д. В. Сравнительный анализ аналитических решений задачи о прогибе ферменных конструкций // Инженерно-строительный журнал. 2015. № 5 (57). С. 66–73. doi: 10.5862/MCE.57.6.
- Валиуллин Д. А., Чижов С. В. Сравнительный анализ расчетных моделей сквозных пролетных строений металлических мостов // Путевой навигатор. 2020. № 42 (68). С. 42–49.
- Bhowmik Er. Ch., Chakraborti P. Analytical and Experimental Modal Analysis of Electrical Transmission Tower to Study the Dynamic Characteristics and Behaviors // KSCE Journal of Civil Engineering. 2020. pp. 931–942. doi: 10.1007/s12205-020-1563-3.
- Кирсанов М. Н. Аналитическое исследование жесткости пространственной статически определимой фермы // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 2 (101). С. 165–171. doi: 10.22227/1997-0935.2017.2.165-171.
- Кирсанов М. Н. Изгиб, кручение и асимптотический анализ пространственной стержневой консоли // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 5 (49). С. 37–43. doi: 10.5862/MCE.49.4.
- Абдуллин И. Н. Моделирование ферменного заполнителя трехслойной конструкции // Междунар. науч.-практ. конф. «Поиск эффективных решений в процессе создания и реализации научных разработок в российской авиационной и ракетно-космической промышленности». Казань. 2014. С. 307–311.
- Доманов Е. В. Аналитическая зависимость прогиба пространственной консоли треугольного профиля от числа панелей // Научный альманах. 2016. № 6–2 (19). С. 214–217. doi: 10.17117/na.2016.06.02.214.
- Кирсанов М. Н. Анализ прогиба фермы пространственного покрытия с крестообразной решеткой // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 4 (64). С. 52–58. doi: 10.5862/MCE.64.5.
- Тестоедов Н. А., Лысенко Е. А. Экспериментальная отработка космических аппаратов на механические воздействия : учеб. пособие. Красноярск : Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2007.
- Патраев В. Е., Халиманович В. И., Ильиных В. В. Надежность космических аппаратов : учеб. пособие. Красноярск : Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2009.
- Столярчук В. А. Автоматизация проектирования силовых конструкций : учеб. пособие. М. : Изд-во МАИ, 2004. 87 с.
- Марутян А. С. Оптимизация ферменных конструкций с поясами регулярно-переменных сечений из прямоугольных труб // Строительная механика и расчет сооружений. 2020. № 6 (293). С. 69–76. doi: 10.37538/0039-2383.2020.6.69.76.
- Кирсанов М. Н. Генетический алгоритм оптимизации стержневых систем // Строительная механика и расчет сооружений. 2010. № 2 (229). С. 60–63.
- Пелешко И. Д., Юрченко В. В. Оптимальное проектирование металлических конструкций на современном этапе (обзор работ) // Металлические конструкции. 2009. Т. 15. № 1. С. 13–21.
