Методика зниження матеріаломісткості хвостових відсіків ракет-носіїв

Автори

М. О. Дегтярьов, Державне підприємство «Конструкторське бюро «Південне» ім. М. К. Янгеля» (49008, Україна, м. Дніпро, вул. Криворізька, 3)

А. П. Дзюба, Державне підприємство «Конструкторське бюро «Південне» ім. М. К. Янгеля» (49008, Україна, м. Дніпро, вул. Криворізька, 3), ORCID: 0000-0001-6331-7783

К. В. Аврамов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: kvavramov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8740-693X

В. М. Сіренко, Державне підприємство «Конструкторське бюро «Південне» ім. М. К. Янгеля» (49008, Україна, м. Дніпро, вул. Криворізька, 3), e-mail: v.n.sirenko@i.ua, ORCID: 0000-0002-8152-2358

Анотація

Розроблено методику зниження матеріаломісткості високонапружених хвостових відсіків ракет-носіїв з урахуванням обмежень міцності, стійкості і технологічних вимог. Як розрахункова схема хвостового відсіку приймається оребрена в поздовжньому і поперечному напрямках вафельна циліндрична оболонка з прямокутними отворами, нижній торець якої затиснений в місцях розташування опорних кронштейнів, а верхній навантажений рівномірно розподіленими по контуру поздовжніми стискальними зусиллями від дії ваги розташованих вище елементів конструкції. Алгоритм оптимізації побудований за принципом забезпечення дискретної рівноміцності окремих елементів (підконструкцій). Конструктивні геометричні розміри перерізів штатного хвостового відсіку і жорсткісні параметри поздовжнього і поперечного силових наборів, товщини стінок оболонкових елементів, розміри вафельних обичайок та ін., вибираються з вимог міцнісної надійності: обмежень граничних значень еквівалентних напружень (умов міцності), стискальних напружень місцевої і загальної втрати стійкості і цілого ряду конструктивних і технологічних вимог. Прямий розрахунок хвостового відсіку і пошук його варійованих геометричних параметрів пропонується здійснювати з використанням інтерактивного числово-аналітичного (метод скінченних елементів – інженерний аналіз) алгоритму.  Початковий розрахунок статичного напружено-деформованого стану вафельного хвостового відсіку проводився методом скінченних елементів, який реалізований в пакеті NASTRAN. Для дискретизації оболонки та її оребрення використовувалися плоскі скінченні елементи. В процесі скінченноелементного числового моделювання стану хвостового відсіку проводився аналіз вірогідності отриманих результатів розрахунку еквівалентних напружень шляхом дослідження процесів збіжності результатів розрахунків на серії сіток з різним подрібненням. Наведено результати застосування розробленої методики до зниження ваги штатного хвостового відсіку ракети-носія «Антарес».

Ключові слова: ракета-носій, хвостовий відсік, матеріаломісткість, напружено-деформований стан.

Література

1. Дегтярев А. В. Ракетная техника. Проблемы и перспективы: избр. науч. техн. публ. Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2014. 420 с.
2. Моссаковский В. И., Макаренков А. Г., Никитин П. И., Савин Ю. И., Спиридонов И. Н. Прочность ракетных конструкций. М.: Высш. шк., 1990. 358 с.
3. Балабух Л. И., Колесников К. С., Зарубин В. С., Алфутов Н. А., Усюкин В. И., Чижов В. Ф. Основы строительной механики ракет. М.: Высш. шк., 1969. 496 с.
4. Усюкин В. И. Строительная механика конструкций космической техники. М.: Машиностроение, 1988. 392 с.
5. Куренков В. И., Юмашев Л. П. Выбор основных проектных характеристики конструктивного облика ракет носителей. Самара: Самар. аэрокосм. ун-т, 2005. 240 с.
6. Degtyarev M. A., Avramov K. V. Numerical simulation of the stress-strain state of the rocket pretention module. Strength Materials. 2019. Vol. 51. Iss. 5. P. 707–714. https://doi.org/10.1007/s11223-019-00119-z.
7. Degtyarev M. А., Shapoval A. V., Gusev V. V., Avramov K. V., Sirenko V. N. Structural optimization of waffle shell sections in launch vehicles. Strength Materials. 2019. Vol. 51. Iss. 2. P. 223–230. https://doi.org/10.1007/s11223-019-00068-7.
8. Лизин В. Т., Пяткин В. А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, 1985. 344 с.
9. Маневич А. И. Устойчивость и оптимальное проектирование подкрепленных оболочек. Киев; Донецк: Вища шк., 1979. 152 с.
10. Строительная механика летательных аппаратов / И. Ф. Образцов и др. М.: Машиностроение, 1986. 536 с.
11. Малков В. П., Угодчиков А. Г. Оптимизация упругих систем. М: Наука, 1981. 288 с.
12. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. 534 с.
13. Дзюба А. П., Сіренко В. М., Дзюба А. А., Сафронова І. А. Моделі та алгоритми оптимізації елементів неоднорідних оболонкових конструкцій. Актуальні проблеми механіки: монографія / під ред. М. В. Полякова. Д.: Ліра, 2018. С. 225–243.
14. Hudramovich V. S., Dzyuba A. P. Contact interaction and optimization of locally loaded shell structures. J. Math. Sci. 2009. Vol. 162. P. 231–245. https://doi.org/10.1007/s10958-009-9634-5.
15. Гудрамович В. С., Гарт Э. Л., Клименко Д. В., Тонконоженко А. М., Рябоконь С. А. Конечно-элементный анализ упруго-пластического напряжённо-деформированного состояния отсеков ракетных конструкций с вырезами. Tехн. механика. 2011. Т. 4. С. 52–61.
16. Разани Р. Поведение равнонапряженной конструкции и ее отношение к конструкции минимального веса. Ракет. техника и космонавтика: Тр. Америк. ин-та аэронавтики и космонавтики. 1965. Т. 12. С. 115–124.
17. Кармишин А. В., Лясковец В. А., Мяченков В. И., Фролов А. Н. Статика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций. М.: Машиностроение, 1975. 376 с.
18. Degtyarev M. A., Danchenko V. G., Shapoval A. V., Avramov K. V. Experimental strength analysis of variable stiffness waffle-grid cylindrical compartments. Part 1. Experimental procedure. J. Mech. Eng. 2019. Vol. 22. No. 1. P. 33–36. https://doi.org/10.15407/pmach2019.01.033.
19. Degtyarev М. А., Danchenko V. G., Shapoval A. V., Avramov K. V. Experimental strength analysis of variable stiffness waffle-grid cylindrical compartments. Part 2. Analysis results. J. Mech. Eng. 2019. Vol. 22. No. 2. P. 31–36. https://doi.org/10.15407/pmach2019.02.031.

Надійшла до редакції 30 квітня 2020 р.