Методика расчета нагрузок на трубопровод от динамических воздействий во время полета ракеты-носителя

Данная статья посвящена разработке методики для расчета нагрузок на трубопровод от динамических и акустических воздействий. Дополнительные нагрузки на трубопровод создают виброакустические воздействия. Учитывая, что вибрации в значительной мере создаются акустическими пульсациями внешнего давления, а также пульсациями тяги двигателей, при расчете дополнительных нагрузок на трубопровод достаточно рассмотреть в качестве входных воздействий случайные вибрационные воздействия, задаваемые в виде кинематических возмущений в узлах крепления трубопровода к

днищу бака, двигательной установке и корпусу ракеты-носителя (РН).

Проблема решения задачи динамического нагружения данного типа трубопровода остается открытой. В связи со сложной конструкционной формой трубопровода (сильные изгибы), следует учитывать гидроудар при начале полета РН не только на выходе и на входе трубопровода, но также непосредственно в изгибах.

ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЁТА НАГРУЗОК

Рассматривались различные подходы к анализу гидроударов в трубопроводе с использованием программного комплекса MSC.NASTRAN и анализировались различные варианты физической постановки задач о гидроударе. В первой постановке предполагается, что жидкость в трубе покоится (имеет нулевую скорость), а в каче- стве внешнего воздействия задается быстро нарастающая скорость в крайнем узле (в задвижке) до некоторой постоянной величины. Во второй постановке – жидкость в трубе течет с постоянной скоростью и в крайнем узле закрывается задвижка, то есть скорость с постоянной величины достаточно быстро снижается до нуля.

В данной статье рассмотрим первый вариант задачи, который моделирует случай запуска двигательной установки и отрыв РН от стартового стола. Моделирование и анализ трубопровода произведем с помощью программ Femap и MSC. NASTRAN [13]. Данный подход предполагает моделирование столба жидкости в трубопроводе с помощью балочных элементов с приведенными жесткостными и инерционными характеристиками. Также следует отметить, что рассматривался вариант с абсолютно жесткими стенками, который предполагает только сжатие жидкости.

В результате расчета динамики РН определяются ускорения во всех сечениях связи соответствующего трубопровода с корпусом РН, днищами баков и двигательной установкой. Определенные таким образом временные зависимости ускорений задаются в качестве кинематических воздействий на динамическую модель трубопровода при автономном расчете нагрузок на трубопроводе.

В качестве исходных данных для динамического расчёта нагрузок задаются ускорения узлов крепления и ускорения осцилляторов, моделирующих колебания двигательной установки, полученные из решения общей динамической задачи для оценки динамической силы для РН. Также необходимо задать давление в трубопроводе. Моделирование столба жидкости в трубопроводе происходит с помощью балочных элементов с приведенными жесткостными и инерционными характеристиками. Гидроудар моделировался следующим способом: проведение расчета с нулевыми начальными условиями (жидкость в трубопроводе находится в состоя- нии покоя), а в качестве внешнего воздействия задавалось расчетное давление в местах изгиба с учетом гидроудара, равное 78 МПа, полученное со входа в двигательную установку. При расчете на прочность трубопровода в поперечных направлениях следует учитывать массу компонента жидкости, заполняющего трубопровод. Максимальное значение продольной силы определяется следующим образом:

F = PnR2, где Р – давление.

Зная, что удельный вес жидкости есть произведение ee плотности ρ и ускорения свободного падения g, мы получим:

т_ж = 0.668V_Tp ^

где V_T - объем трубопровода, р_ж - плотность жидкости.

Предварительно была построена динамическая конечно-элементная модель топливного бака и РН в целом. Далее необходимо провести расчёты динамического нагружения РН от соответствующих продольных воздействий при различных случаях нагружения РН.

На рисунке 1 показана конечно-элементная модель трубопровода, созданная с помощью линейных (Beam) элементов. Трубопровод проложен от нижнего днища бака до двигательной установки.

Входные воздействия в узлах крепления к корпусу РН, днищам баков и двигателю задаются в виде спектральных плотностей мощности, взаимные спектральные плотности предполагаются равными нулю.

В результате расчетов получаются среднеквадратичные значения ускорений, усилий и моментов в сечении трубопровода, а также среднеквадратичные значения силовых факторов в узлах связи трубопровода с элементами РН.

На данном этапе мы рассчитаем нагрузку на трубопровод с учётом массы жидкости при случае «Старт», (один из самых нагруженных для данной системы). При расчёте нагрузок на трубопровод

Рисунок 1 – Конечно-элементная модель трубопровода

использовался линейный динамический Transient Dynamic/Time History, в котором в качестве нагружения была приложена сила тяги в тоннах при случае «Старт» (см. рис. 2). Значения полученных перегрузок приведены на рисунке 3, а значения усилий по длине трубопровода на рисунке 4.

На рисунке 3 изображен график результата расчета, где видно, что максимальная пере- грузка на трубопровод равна 5,46g. Полученные результаты приведены вдоль оси X РН, что соответствует «наихудшему» (максимальному) случаю нагружения. Для сравнения на графике также приведены результаты расчета ДУ. В данном случае гидроудар в значительной большей мере реализовался на трубопроводе, чем на двигателе.

Рисунок 2 –Гидроудар на входе в трубопровод при случае нагружения «Старт»

Рисунок 3 –График перегрузок, реализующихся на ДУ и трубопроводе при случае нагружения «Старт»

Рисунок 4 – Распределение усилий в элементах по длине трубопровода

На рисунке 4 видно, как происходит распределение усилий по длине трубопровода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ             5.

В статье представлена методика расчета нагрузок на трубопровод от динамических и 6. акустических воздействий. Разработаны методические указания по расчету нагрузок на трубопровод с помощью программ Femap и MSC. Nastran, которые складываются из квазистати-   7.

ческих и динамических составляющих от переходного процесса. Учитывая, что вибрации в значительной мере создаются акустическими 8. пульсациями внешнего давления, а также пульсациями тяги двигателя, при расчете дополнительных нагрузок достаточно рассмотреть в 9. качестве входных воздействий случайные вибрационные воздействия, задаваемые в виде кинематических возмущений в узлах крепления трубопровода к днищу бака и двигателю.         10.