Исследование напряженного состояния и устойчивости сплошного и сетчатого адаптеров
Автор: Т. В. Гульков, Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 3, 2025 года.
Бесплатный доступ
Целью исследования является сравнение полей напряжений и устойчивости адаптеров различной конфигурации, изготовленных из алюминия Al-2024 и композита М46. Адаптеры имеют постоянную массу. Сплошной и сетчатый адаптеры усиливались жесткими шпангоутами по кромкам конструкций, нижние кромки фиксировались жесткой заделкой. Моделирование параметрических дискретных моделей проводилось в конечно-элементном программном комплексе ANSYS. Для сетчатого адаптера использовался балочный двухузловой конечный элемент с шестью степенями свободы BEAM4. В сплошной адаптер закладывался четырехузловой с шестью степенями свободы на каждый из узлов конечный элемент SHELL181. Нагрузка на конструкцию передавалась с использованием топологических связей с мнимым узлом, расположенным по центру верхнего шпангоута. Топологические связи моделировались жестким элементом MPC 184. К мнимому узлу прикладывалась осевая сжимающая нагрузка, равная 108 тс. Анализ напряженно–деформированного состояния сплошных адаптеров показал, что адаптер из углепластика держит нагрузку лучше, чем алюминиевый. Значения критической нагрузки потери устойчивости алюминиевого адаптера меньше, чем значения критической нагрузки адаптера из углепластика. Анализ полей напряжений и перемещений показал, что в сетчатом адаптере спиральные ребра работают на сжатие, а кольцевые на растяжение. Сравнение полей напряжений сетчатого и сплошного адаптеров, а также значений критических нагрузок позволяет сделать вывод о том, что эффективнее в изделии использовать сетчатую конструкцию.
Напряженно‑деформированное состояние, устойчивость, адаптер, ANSYS, поля напряжений, критическая нагрузка
Короткий адрес: https://sciup.org/14134062
IDR: 14134062 | УДК: 539.3 | DOI: 10.26732/j.st.2025.3.03
Investigation of the stress-strain state and stability of solid and mesh adapters
The aim of the study is to compare the stress fields and stability of adapters of various configurations made of aluminum Al – 2024 and composite M46. The adapters have a constant mass. The solid and mesh adapters were reinforced with rigid frames along the edges of the structures, the lower edges were fixed with rigid sealing. Parametric discrete models were modeled using the ANSYS finite element software package. A two-node beam end element with six degrees of freedom BEAM4 was used for the mesh adapter. A four-node, six-degree-of-freedom terminal element SHELL181 was inserted into the solid adapter. The load on the structure was transferred using topological connections with an imaginary node located in the center of the upper frame. Topological connections were modeled by a rigid MPC 184 element. An axial compressive load of 108 t.s. was applied to the imaginary node. Analysis of the stress-strain state of the continuous adapters showed that the adapter made of carbon fiber holds the load better than aluminum. The values of the critical load of the stability loss of the aluminum adapter are less than the values of the critical load of the carbon fiber adapter. The analysis of stress and displacement fields has shown that in the mesh adapter, the spiral fins work for compression, and the annular fins work for tension. A comparison of the stress fields of the mesh and solid adapters, as well as the values of critical loads, allows us to conclude that it is more efficient to use a mesh structure in the product.
Список литературы Исследование напряженного состояния и устойчивости сплошного и сетчатого адаптеров
- Хахленкова А. А., Лопатин А. В. Обзор конструкций адаптеров современных космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2018. № 3 (25). С. 134–146.
- Васильев В. В., Разин А. Ф., Азаров А. В. Композиционные сетчатые конструкции – проектирование, расчет и изготовление. М.: Инновационное машиностроение, 2023. 488 с.: ил.
- Ковальчук Л. М. Подход к рациональному проектированию реберной структуры сетчатой оболочки без обшивки с учетом ее массы и приложенной нагрузки / Л. М. Ковальчук; науч. рук. Т. В. Бурнышева. – Текст: электронный // Россия молодая: сб. материалов 13 Всероссийской научно- практической конференции с международным участием, Кемерово, 20–23 апр. 2021 г. Кемерово: ФГБОУ ВО «Кузбас. гос. техн. ун- т им. Т. Ф. Горбачева», 2021. URL: http: // science.kuzstu.ru / wp – content /Events/Conference/ RM/2021/RM21/pages/Articles/042101.pdf (дата обращения: 28.01.2022). ISBN 978-5-00137-232-5.
- Бурнышева Т. В. Применение методологии вычислительного эксперимента в задачах проектирования и диагностики анизогридных конструкций космических летательных аппаратов // Научно- технический вестник Поволжья. 2014. № 6. С. 98–102.
- Ковальчук Л. М., Бурнышева Т. В. О подходах к построению параметрической дискретной модели сетчатой цилиндрической оболочки в конечно-элементном пакете ANSYS. Текст: электронный // Краевые задачи и математическое моделирование: тематический сборник научных статей. Новокузнецк: Изд- во КГПИ КемГУ, 2023. С. 52–57. 8 CD-ROMs. – Загл. с экрана.
- Хахленкова А. А., Шатов А. В. Геометрическое и конечно- элементное моделирование сетчатой конической оболочки с геодезической траекторией спиральных ребер // Сибирский аэрокосмический журнал. 2016. Т. 17. № 2. С. 372–376.
- Totaro G. Flexural, torsional, and axial global stiffness properties of anisogrid lattice conical shells in composite material // Composite Structures. 2018. № 184, рр. 540–551.
- Бурнышева Т. В., Кравцова Ю. А. Решение задачи устойчивости сетчатых оболочек из композиционных материалов при статическом нагружении [Текст] // Научно- технический вестник Поволжья. 2012. № 1. С. 101–105.
- Ковальчук Л. М., Бурнышева Т. В. Анализ напряженно- деформированного состояния трансформируемой конструкции при осевом сжатии и кручении / науч. рук. Т. В. Бурнышева. Текст: непосредственный // Наука. Технологии. Инновации: сборник научных трудов 17 Всероссийской научной конференции молодых ученых, Новосибирск, 4–8 дек. 2023 г.: в 11 ч. Новосибирск: Изд- во НГТУ, 2024. Ч. 10. С. 34–38. 100 экз. ISBN 9785-7782-5138-0.
- Исследование изогридной и сплошной конструкций на напряженно-деформированное состояние и устойчивость = Stress – strain and stability test of isogrid and solid structures / Д. Д. Козырев, Т. В. Гульков, Л. М. Ковальчук, Т. В. Бурнышева. Текст: электронный // Решетневские чтения: материалы XXVIII Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со Дня рождения генерального конструктора ракетно- космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева, Красноярск, 18–22 ноября 2024 г.: в 2 ч. Красноярск: Изд- во СибГУ, 2024. Ч. 1. С. 80–82. – Режим доступа: https://reshetnev.sibsau.ru/page/materialy-konferentsii. – Загл. с экрана.
