CC BY
32Решетнеескцие чтения. 2015
ладающих эффектом памяти формы и изделиям из них [1].
Следует отметить, что американская фирма СотроБИеТесЬпоЬ^Беуйортеп! (СТО) уже разработала описываемые материалы и провела испытания изделий на космических аппаратах. Так, петли с памятью формы были испытаны в составе космического аппарата Тас8аг-2 (с 16.12.2006 по 05.02.2011) и успешно развернули панель фотоэлектрических преобразователей [2].
В НИИКАМ ведутся работы по созданию отечественных полимерных композиционных материалов, обладающих памятью формы и пригодных к эксплуатации в условиях космоса. В литературе описаны различные материалы с памятью формы на основе эпоксидных и уретановых матриц [1], однако такие полимерные материалы не обладают долговечностью в космических условиях.
Гораздо более привлекательными для применения в космосе являются полимеры на основе полиэфирке-тона [3] и эфирцианатных смол. В нашей лаборатории разработаны новые связующие и углепластики на их основе, обладающие эффектом памяти формы и настраиваемой температурой срабатывания.
Возможность использования новых материалов была показана на примере конструкции самораскрывающихся петель с интегрированными пленочными нагревателями, которые могут служить, например, для развертывания панелей солнечных фотоэлектрических преобразователей.
В результате проведенных в НИИКАМ работ по созданию задела в области полимерных композиционных материалов, обладающих эффектом памяти формы, мы можем с уверенностью сказать, что возможно создание отечественных материалов и производство изделий. К таким изделиям следует отнести не только самораскрывающиеся петли для раскрытия
панелей батарей фотоэлектрических преобразователей, но и саморазворачивающиеся антенны и ферменные конструкции, элементы тепловых экранов и другие крупногабаритные элементы космических аппаратов. Применение композитов с эффектом памяти формы открывает совершенно новые возможности в конструировании и сборке космических аппаратов, так, например, плоские листы материала могут превращаться непосредственно на орбите в различные объёмные детали несущих конструкций. Так несущие штанги (например трубчатой формы) могут быть свернуты в компактный рулон, который уже на орбите вновь превратится в несущий элемент конструкции [4]. Следует отметить, что композит с памятью формы по своим прочностным показателям не уступает традиционным углепластикам.
References
1. Yanju Liu, Haiyang Du, Liwu Liu, JinsongLeng. Shape memory polymers and theircomposites in aerospace applications: a review // Smart Mater. Struct. 23 (2014) 023001 (22pp).
2. Rory Barrett, Will Francis, Erik Abrahamson, Mark S. Lake. Qualification of Elastic Memory Composite Hinges for Spaceflight Applications // 47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference Proceedings, 1-4 May 2006, Newport, RI.
3. Ying Shi,MitraYoonessi, R. A. Weiss. High Temperature Shape Memory Polymers // Macromolecules 2013, 46, 4160-4167.
4. Witold M. Sokolowski, Seng C. Tan. Advanced Self-Deployable Structures for Space Applications // Journal of spacecraft and rockets, Vol. 44, No. 4, July-August 2007.
© Аристов В. Ф., Чернышенко А. О., 2015
УДК 629.76
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕТЧАТЫХ КОМПОЗИТНЫХ СПИЦ ЗОНТИЧНЫХ АНТЕНН С ТРЕУГОЛЬНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ
В. Д. Бакаенко, Д. В. Егоров
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Е-таП: [email protected]
Работа посвящена моделированию и оценке конструктивных параметров композитной спицы зонтичной антенны с треугольным поперечным сечением. Результаты исследований показывают, что метод моделирования, представленный в этой работе, может быть успешно применен к решению проектных задач.
Ключевые слова: зонтичная антенна, сетчатая спица, композиционные материалы, конечно-элементное моделирование, модальный анализ.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
MODELING COMPOSITE LATTICED SPOKES OF UMBRELLA-TYPE SPACE ANTENNA WITH TRIANGLE CROSS-SECTION
V. D. Bakaenko, D. V. Egorov
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
Research is dedicated to the modeling and analysis of the structural parameters of composite latticed spoke of umbrella-type space antenna with triangle cross-section. According to the results of studies it is determined that the method of modeling, presented in this paper, can be successfully applied to the solution of design problems.
Keywords: umbrella-type space antenna, latticed spoke, composite materials, finite-element modeling, modal analysis.
Космические антенны зонтичного типа представляют собой конструкции с приемлемыми электродинамическими характеристиками и сравнительно невысокой стоимостью. В последнее время в качестве элементов конструкции рефлектора антенны зонтичного типа, обеспечивающих придание и поддержание заданной формы отражающей поверхности, используются сетчатые структуры большого удлинения [1]. В сетчатых конструкциях ребра являются основными несущими элементами, которые обеспечивают одновременную мембранную и изгибную жесткость конструкции [2].
Моделирование и численный анализ композитной сетчатой спицы с треугольным поперечным сечением осуществлялся с использованием конечно-элементного программного пакета Л№У8. С использованием языка параметрического моделирования ЛРБЕ [3] был написан макрос для автоматического создания геометрии и конечно-элементной модели сетчатой спицы.
Сетчатая структура с треугольным поперечным сечением состоит из продольных и наклонных ребер, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид спицы
Построение конечно-элементной модели спицы выполняется с помощью типового сегмента, длина которого измеряется как расстояние я между вершинами двух соседних треугольников (рис. 2). Для про-
ведения численного анализа использовались следующие геометрические параметры сетчатой структуры с треугольным поперечным сечением: общая длина спицы Ь = 9 м, высота треугольного сечения Н = 400 мм, ширина основания w = 200 мм. Спица изготовлена из однонаправленного углепластика имеющего следующие характеристики: модуль упругости Ех = 77 ГПа, плотность р = 1 490 кг/м3.
Рис. 3. Ориентация геометрии элемента BEAM
Все ребра конструкции имеют квадратные сечения, площади которых в общем случае различны. Верхнее продольное ребро имеет сечение размером 7 мм на 7 мм, нижние продольные ребра - 5 мм на 5 мм,
Решетнееские чтения. 2015
наклонные ребра - 3 мм на 3 мм. Продольные ребра ориентированы таким образом, что стороны их сечений параллельны координатным осям (Y и Z), а плоскости сечений наклонных ребер нормальны граням призмы типового сегмента, в которых лежат их продольные оси. Ребра конструкции спицы смоделированы трехмерными линейными балочными элементами BEAM 188 с шестью степенями свободы [4]. Расположение узлов и координатная система элемента показаны на рис. 3 [5].
В исследовании учитывается масса полотна отражающей поверхности параболической антенны. Для этого в узлах, совпадающих с точками пересечения наклонных ребер с верхним продольным ребром, введены элементы сосредоточенных масс. Погонная масса сетеполотна равна m = 0,050 кг/м2.
Жесткость конструкции оценивается по величинам двух первых частот собственных колебаний f1 и f2 спицы.
Основная частота колебаний f (Гц) сетчатой спицы определялась для звена, у которого один край закреплен, а другой край свободен. В анализе были исследованы спицы одинаковой длины и размеров поперечного сечения, но отличающиеся расстоянием s. Ниже представлены значения частот, полученные для рассматриваемых значений s (см. таблицу).
Для обеспечения необходимой прочности сетчатой спицы проведена оценка параметров деформированного состояния под действием изгибающего момента Mz = 795 Нм. В расчетной модели (рис. 4) этот момент обеспечивается системой из трех продольных сил, приложенных в вершинах треугольного
сечения. Прогибы свободного конца спицы для различных значений s представлены в таблице.
В результате анализа полученных результатов расчета выявлено, что с увеличением массы конструкции частоты собственных колебаний снижаются по обеим формам. При уменьшении расстояния s наблюдается слабое снижение максимального прогиба спицы.
В результате выполненных работ была создана параметрическая модель сетчатой спицы с треугольным поперечным сечением в программном пакете ANSYS. С помощью созданного макроса возможна быстрая и эффективная генерация конечно-элементных моделей сетчатых конструкций.
Модель сетчатой спицы с треугольным поперечным сечением может быть использована при проектировании зонтичных антенн космических аппаратов.
References
1. Anderson M. S. Buckling of periodic lattice structures. AIAA Journal, 1981, vol. 19, p. 782-788.
2. Kim T. D. Fabrication and testing of composite isogrid stiffened cylinder. Composite Structures, 1999, 45, p. 1-6.
3. ANSYS Release 10.0 Documentation. APDL Programmer's guide, 76 p.
4. ANSYS 14.5 User Guide.
5. Nakasone Y., Yoshimoto S., Stolarski T.A.
Engineering analysis with ANSYS Software. Elsevier, 2006, 456 p.
Рис. 4. Деформирование спицы, нагруженной концевым моментом
Результаты расчетов спицы с треугольным поперечным сечением
s, мм m, кг f1, Гц f2, Гц Прогиб, мм
500 2,828 2,178 6,103 109,18
450 2,874 2,163 6,062 108,78
300 3,116 2,085 5,842 107,65
250 3,267 2,040 5,710 107,29
200 3,5 1,975 5,520 106,95
© Бакаенко В. Д., Егоров Д. В., 2015
