Проектирование композитных соединительных узлов в задачах оптимизации многосекционных композитных космических ферменных конструкций

Исследуется целесообразность проектирования космических ферменных конструкций из композитных материалов. Сформулированы и проанализированы задачи, возникающие при оптимальном проектировании композитных многосекционных космических ферм. Космические ферменные конструкции должны обеспечивать возможность закрепления на них требуемого количества навесного оборудования, что зависит от количества соединительных узлов. С другой стороны, большое количество секций и соединительных узлов утяжеляет конструкцию и усложняет процесс сборки. Таким образом, первая задача заключается в разработке алгоритма расчета оптимальных геометрических характеристик ферменной конструкции, т. е. количества секций в продольном и в окружном направлении. Нагрузки на разные элементы космической фермы различны. Поэтому очевидно, что стержни разных секций фермы должны обладать разными характеристиками. Характеристики металлических стержней - диаметр и толщина. В случае использования композитных материалов возникает необходимость решения дополнительной задачи оптимизации. Этой задачей является определение оптимальных структурных параметров многослойных стержней: типа многослойной структуры, количества слоев, углов армирования и толщин слоев. Крайне важной задачей является задача оптимального проектирования соединительных узлов. Исследованы возможности проектирования соединительного узла, который был бы полностью выполнен из композитных материалов. Представлены два типа композитных соединительных узлов, из которых один уже известен и используется в космических ферменных конструкциях, а второй предложен авторами данной статьи. Приведено сравнение этих типов и обоснование целесообразности использования композитного соединительного узла предложен- ного типа. С целью анализа прочности композитных соединительных узлов и их сравнения с металлическим узлом было проведено конечно-элементное моделирование нагружения этих узлов. Для этого была создана общая балочная модель фермы, и с ее помощью получены нагрузки в области наиболее нагруженного узла, которые использовались для более подробного моделирования нагружения твердотельной модели соединительных узлов. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения композитных соединительных узлов в космических ферменных конструкциях.