Математическое моделирование пространственных колебаний оболочечных конструкций с жидкостью с использованием современных средств компьютерного проектирования и анализа

Abstract

При исследовании пространственных колебаний ракеты-носителя (РН), как правило, топливные баки РН рассматриваются как сложные оболочечные конструкции с жидкостью. Математическое моделирование пространственных колебаний оболочечных конструкций с жидкостью позволяет определить напряженно-деформированное состояние конструкции, характеристики собственных колебаний оболочечных конструкций с жидкостью, проводить оценки динамических нагрузок на конструкцию. Предложен подход к математическому моделированию пространственных колебаний оболочечных конструкций с жидкостью с использованием метода конечных элементов и средств компьютерного проектирования и анализа - CAD/CAE-систем. Разработано методическое обеспечение для решения различных задач динамики объектов ракетно-космической техники, имеющих сложную пространственную конфигурацию: расчета динамических характеристик конструкции корпуса РН в задаче о продольной устойчивости жидкостной РН, определения параметров продольных колебаний и динамических нагрузок на конструкцию верхней ступени, определения параметров колебаний свободной поверхности жидкого топлива при оценке работоспособности средств обеспечения сплошности компонентов топлива в баках верхних ступеней. С использованием предложенного подхода проведено математическое моделирование пространственных колебаний корпуса трехступенчатой РН, обусловленных колебаниями тяги жидкостной ракетной двигательной установки. Определены параметры пространственных колебаний перспективной верхней ступени РН во время работы маршевой жидкостной ракетной двигательной установки (ЖРДУ) первой ступени РН. Проведено математическое моделирование вынужденных колебаний конструкции верхней ступени РН и свободной поверхности жидкого топлива для оценки работоспособности средств обеспечения сплошности компонентов топлива в баках верхней ступени на участке работы ее маршевого двигателя. Предложенный подход может быть использован при разработке методического обеспечения для решения указанных задач динамики полета жидкостных РН различного назначения.

При дослідженні просторових коливань ракети-носія (РН), зазвичай, паливні баки РН розглядаються як складні оболонкові конструкції з рідиною. Математичне моделювання просторових коливань оболонкових конструкцій з рідиною дозволяє визначити напружено-деформований стан конструкції, характеристики власних коливань оболонкових конструкцій з рідиною, проводити оцінки динамічних навантажень на конструкцію. Запропоновано підхід до математичного моделювання просторових коливань оболонкових конструкцій з рідиною з використанням методу скінченних елементів та засобів комп’ютерного проектування та аналізу - CAD/CAE-систем. Розроблено методичне забезпечення для вирішення різних задач динаміки об’ектів ракетно-космічної техніки, що мають складну просторову конфігурацію: розрахунку динамічних характеристик конструкції корпусу РН в задачі про поздовжню стійкість рідинної РН, визначення параметрів поздовжніх коливань та динамічних навантажень на конструкцію верхнього ступеню, визначення параметрів коливань вільної поверхні рідкого палива при оцінці працездатності засобів забезпечення суцільності компонентів палива в баках верхніх ступенів. З використанням запропонованного підходу проведено математичне моделювання просторових коливань корпусу трьохступеневої РН, обумовлених коливаннями тяги рідинної ракетної двигунної установки. Визначені параметри просторових коливань перспективного верхнього ступеню РН під час роботи маршової рідинної ракетної двигунної установки першого ступеню РН. Проведено математичне моделювання вимушених коливань конструкції верхнього ступеню РН та вільної поверхні рідкого палива для оцінки працездатності засобів забезпечення суцільності компонентів палива в баках верхнього ступеня на ділянці роботи маршового двигуна ступеня. Запропонований підхід може бути використаний при розробці методичного забезпечення для вирішення вказаних задач динаміки польоту рідинних РН різного призначення.

In the study of 3-D oscillations of a launch vehicle (LV), as a rule, the LV propellant tanks are considered as complicated shell structures with the fluid. Mathematical modeling these structures may be applied to define the stressed-strained structural state, the characteristics of proper oscillations of the shell structures with the fluid, to estimate dynamical loads on the structure. An approach to mathematical modeling 3-D oscillations of the shell structures with the fluid is proposed using the finite-element method and aids of the computer design and analysis – CAD/CAE-systems. Methodic support for solution of various problems on the dynamics of rocket and space technology products with complicated 3-D configurations is developed to calculate the dynamical characteristics of the LV body structure for the problem of the longitudinal stability of a liquid rocket, to measure the parameters of longitudinal oscillations and dynamical loads on the upper stage structure as well as the parameters of oscillations of the liquid -propellant free surface in estimating the serviceability of means for providing continuity of the propellant components into the upper stages tanks. 3-D oscillations of the three-stage rocket due to oscillations of the liquid- rocket propulsion thrust are modeled mathematically using the approach proposed. Parameters of 3-D oscillations of the advanced rocket stage in operation of the cruise liquid rocket propulsion of the LV first stage are found. Forced oscillations of the LV upper stage structure and a free surface of the liquid propellant are modeled mathematically to estimate the serviceability of means for providing continuity of the propellant components into the upper stage tanks in operation of its cruise engine. The approach proposed can be used in the design of methodic support to solve the abovementioned problems of the flight dynamics of various liquid rockets.