Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки

Разработана математическая модель для численных расчетов спектра собственных колебаний жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки. Для описания динамической модели механико-гидравлической системы используются элементы с приведенными кусочнооднородными (балочного типа) распределенными и сосред...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Проблемы прочности
Дата:	2001
Автори:	Конюхов, А.С., Легеза, В.С., Цыбенко, А.С., Грищук, Н.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2001
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46597
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки / А.С. Конюхов, В.С. Легеза, А.С. Цыбенко, Н.Г. Крищук // Проблемы прочности. — 2001. — № 3. — С. 93-99. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46597
record_format	dspace
spelling	Конюхов, А.С. Легеза, В.С. Цыбенко, А.С. Грищук, Н.Г. 2013-07-01T20:06:20Z 2013-07-01T20:06:20Z 2001 Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки / А.С. Конюхов, В.С. Легеза, А.С. Цыбенко, Н.Г. Крищук // Проблемы прочности. — 2001. — № 3. — С. 93-99. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46597 539.3:534.1:629.784 Разработана математическая модель для численных расчетов спектра собственных колебаний жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки. Для описания динамической модели механико-гидравлической системы используются элементы с приведенными кусочнооднородными (балочного типа) распределенными и сосредоточенными параметрами жест- костных и инерционных характеристик, для колеблющихся масс жидкости - механические осцилляторы. Представлены результаты расчетов собственных частот и форм колебаний конструктивного варианта ракеты-носителя для начальной стадии полета. Изучено влияние учета инерции вращения и деформации сдвига элементов балочного типа на расчетные значения собственных частот колебаний. Исследована сходимость конечноэлементных решений. Розроблено математичну модель для числових розрахунків спектру власних коливань рідинних ракет-носіїв пакетної компоновки. Для опису динамічної моделі механіко-гідравлічної системи використано елементи зі зведеними кусково-однорідними (балкового типу) розподіленими й зосередженими параметрами жорсткості та інерційними характеристиками, для коливних мас рідини - механічні осцилятори. Приведено результати розрахунків власних частот і форм коливань конструктивного варіанту ракети-носія для початкової стадії польоту. Вивчено вплив інерції обертання і деформації зсуву елементів балкового типу на розрахункові величини власних частот коливань. Досліджено збіжність скінченноелементних розрахунків. We present software for the numerical simulations of the dynamic characteristics for the liquid- fuel package-assembled rocket carrier missiles. To define the dynamic model of the mechanical and hydraulic system, we applied finite elements with reduced piecewise-homogeneous distributed (beam type) and concentrated parameters of the stiffness and inertia characteristics were used, for the oscillating fluid mass the pendulum schemes were applied. The calculation results of the base frequencies and oscillation modes of the design version of the rocket carrier missile for the initial flight stage were obtained. The effect of the rotation inertia and shear strain for the components of the beam type on the calculation values of the base frequencies was studied. The convergence of the finite-element solution was investigated. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки Free Oscillations of Liquid- Fluid Package-Assembled Rocket Carrier Missiles Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки
spellingShingle	Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки Конюхов, А.С. Легеза, В.С. Цыбенко, А.С. Грищук, Н.Г. Научно-технический раздел
title_short	Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки
title_full	Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки
title_fullStr	Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки
title_full_unstemmed	Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки
title_sort	собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки
author	Конюхов, А.С. Легеза, В.С. Цыбенко, А.С. Грищук, Н.Г.
author_facet	Конюхов, А.С. Легеза, В.С. Цыбенко, А.С. Грищук, Н.Г.
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
publishDate	2001
language	Russian
container_title	Проблемы прочности
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
format	Article
title_alt	Free Oscillations of Liquid- Fluid Package-Assembled Rocket Carrier Missiles
description	Разработана математическая модель для численных расчетов спектра собственных колебаний жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки. Для описания динамической модели механико-гидравлической системы используются элементы с приведенными кусочнооднородными (балочного типа) распределенными и сосредоточенными параметрами жест- костных и инерционных характеристик, для колеблющихся масс жидкости - механические осцилляторы. Представлены результаты расчетов собственных частот и форм колебаний конструктивного варианта ракеты-носителя для начальной стадии полета. Изучено влияние учета инерции вращения и деформации сдвига элементов балочного типа на расчетные значения собственных частот колебаний. Исследована сходимость конечноэлементных решений. Розроблено математичну модель для числових розрахунків спектру власних коливань рідинних ракет-носіїв пакетної компоновки. Для опису динамічної моделі механіко-гідравлічної системи використано елементи зі зведеними кусково-однорідними (балкового типу) розподіленими й зосередженими параметрами жорсткості та інерційними характеристиками, для коливних мас рідини - механічні осцилятори. Приведено результати розрахунків власних частот і форм коливань конструктивного варіанту ракети-носія для початкової стадії польоту. Вивчено вплив інерції обертання і деформації зсуву елементів балкового типу на розрахункові величини власних частот коливань. Досліджено збіжність скінченноелементних розрахунків. We present software for the numerical simulations of the dynamic characteristics for the liquid- fuel package-assembled rocket carrier missiles. To define the dynamic model of the mechanical and hydraulic system, we applied finite elements with reduced piecewise-homogeneous distributed (beam type) and concentrated parameters of the stiffness and inertia characteristics were used, for the oscillating fluid mass the pendulum schemes were applied. The calculation results of the base frequencies and oscillation modes of the design version of the rocket carrier missile for the initial flight stage were obtained. The effect of the rotation inertia and shear strain for the components of the beam type on the calculation values of the base frequencies was studied. The convergence of the finite-element solution was investigated.
issn	0556-171X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46597
citation_txt	Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки / А.С. Конюхов, В.С. Легеза, А.С. Цыбенко, Н.Г. Крищук // Проблемы прочности. — 2001. — № 3. — С. 93-99. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT konûhovas sobstvennyekolebaniâžidkostnyhraketnositeleipaketnoikomponovki AT legezavs sobstvennyekolebaniâžidkostnyhraketnositeleipaketnoikomponovki AT cybenkoas sobstvennyekolebaniâžidkostnyhraketnositeleipaketnoikomponovki AT griŝukng sobstvennyekolebaniâžidkostnyhraketnositeleipaketnoikomponovki AT konûhovas freeoscillationsofliquidfluidpackageassembledrocketcarriermissiles AT legezavs freeoscillationsofliquidfluidpackageassembledrocketcarriermissiles AT cybenkoas freeoscillationsofliquidfluidpackageassembledrocketcarriermissiles AT griŝukng freeoscillationsofliquidfluidpackageassembledrocketcarriermissiles
first_indexed	2025-11-25T17:16:42Z
last_indexed	2025-11-25T17:16:42Z
_version_	1850520598164275200
fulltext	УДК 539.3:534.1:629.784 Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки А. С. Конюхов3, В. С. Легеза3, А. С. Ц ыбенко6, Н. Г. К рищ ук6 а Государственное конструкторское бюро “Южное”, Днепропетровск, Украина 6 Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, Украина Разработана математическая модель для численных расчетов спектра собственных коле баний жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки. Для описания динамической модели механико-гидравлической системы используются элементы с приведенными кусочно однородными (балочного типа) распределенными и сосредоточенными параметрами жест- костных и инерционных характеристик, для колеблющихся масс жидкости - механические осцилляторы. Представлены результаты расчетов собственных частот и форм колебаний конструктивного варианта ракеты-носителя для начальной стадии полета. Изучено вли яние учета инерции вращения и деформации сдвига элементов балочного типа на расчетные значения собственных частот колебаний. Исследована сходимость конечноэлементных ре шений. К л ю ч е в ы е с л о в а : ракета-носитель, динамическая модель, механико-гидрав лическая система, математический аппарат, собственные частоты и формы колебаний, конечноэлементные решения. При проектировании ракет-носителей (PH) одна из главных проблем - определение собственных частот и форм упругих колебаний ракет на раз личных стадиях полета. Данные амплитудно-частотного анализа динами ческих моделей PH составляют основу для решения задачи эффективной стабилизации и управления полетом [1]. Построение рациональных динамических моделей PH содержит, как правило, элементы эвристики [2, 3] и достигается последовательным сравне нием данных расчетов, полученных для различных степеней идеализации исходного объекта. В зависимости от выбора расчетной схемы вводятся те или иные упрощающие предположения, позволяющие перейти от реального объекта к адекватной расчетной модели динамической системы. Диапазон частот, в котором возможна такая замена, определяется требованиями к точности аппроксимации конструкции PH соответствующими динамичес кими моделями [3]. Традиционная концепция построения динамических моделей односту пенчатых и многоступенчатых жидкостных PH с продольным делением ступеней предполагает аппроксимацию конструкции ракеты стержневыми элементами с распределенно-сосредоточенными параметрами, соответству ющими упругим и инерциальным свойствам корпуса, двигательных уста новок, жидких масс [2-4]. При этом динамические характеристики PH определяются для взаимно независимых форм продольных, крутильных и изгибных колебаний [3, 4]. © А. С. КОНЮХОВ, В. С. ЛЕГЕЗА, А. С. ЦЫБЕНКО, Н. Г. ^ И Щ У К , 2001 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, N 3 93 А. С. Конюхов, В. С. Легеза, А. С. Цыбенко, П. Г. Крищук Ракеты-носители пакетной компоновки по сравнению с PH с продоль ным делением ступеней имеют более сложное продольно-поперечное деле ние ступеней в виде пространственного пакета связанных упругодеформи- руемых тел - подкрепленных тонкостенных конструкций оболочек с общей продольной осью. Распределение масс и жесткостей в произвольном ради альном направлении для осесимметричных элементов PH одинаково. Меж блочные связи (боковые, центральные), как правило, имеют кинематические степени свободы, обусловленные конструктивно-технологическими реше ниями. Принципиальными особенностями PH, характеризующими динами ческие свойства системы, являются: наличие значительных масс жидкости со свободными поверхностями; упругость корпусов модулей (сложные пространственные тонкостен ные конструкции) и межблочных связей (пространственные массивные те ла); симметрия объекта - массовая и геометрическая. В отличие от PH с продольным делением ступеней для конструкций PH пакетной компоновки характерна связанность продольных, изгибных и кру тильных колебаний. Это существенно усложняет динамический анализ PH и делает невозможным применение аналитических методов. Цель данной работы заключалась в выборе адекватной математической модели PH пакетной компоновки, ее численной реализации с использо ванием современных вычислительных средств и исследовании на базе соз данного математического аппарата динамических характеристик конкрет ной конструкции PH (рис. 1,а). При создании динамической модели PH рассматривали основные эле менты механико-гидравлической системы, определяющие процессы собст венных колебаний конструкции. Каждый модуль PH представляли упругим стержнем с приведенными [2, 3] кусочно-постоянными по длине инерцион ными и жесткостными характеристиками. Межблочные связи PH аппрокси мировали эквивалентным упругим массовым слоем. Корпус обтекателя, со держащего полезный груз PH, моделировали упруго закрепленной балкой постоянного поперечного сечения, полезный груз - распределенной массой. Для построения динамической модели колебаний жидких масс ввиду малости диссипативных сил продольные и поперечные (по отношению к оси PH) движения жидкой среды рассматривали как независимые, а крутиль ными - пренебрегали. Каждый эквивалентный стержень PH, соответствующий баку с жид костью, дополнили присоединенными к нему механическими осциллято рами, моделирующими колебания жидких объемов [3, 4]. Поперечные колебания жидкости, содержащейся в баках PH, описыва ли с использованием маятниковых моделей [4-6]. Приведенные характе ристики эквивалентных маятников (длину, массу, точки подвеса на оси стержней) находили по данным исследования собственных колебаний жид кости в приповерхностных зонах недеформируемых полостей, отвечающих геометрии баков [5]. При достаточном заглублении жидкость считали “квази- затвердевшей”, ее погонную массу суммировали с погонной массой экви валентных стержней динамической модели PH. 94 ISSN 0556-171Х. Проблемыі прочности, 2001, № 3 Собственные колебания жидкостных ракет-носителей Рис. 1. Компоновочная схема PH пакетного типа (а) и динамическая модель PH для началь ной стадии полета (б). Для учета продольных колебаний жидких объемов использовали пру жинно-массовые модели эквивалентных механических осцилляторов с точ кой привязки пружин в сечениях корпуса, соответствующих опорным шпангоутам днищ баков. Суммарную массу осцилляторов принимали рав ной массе жидкости в баках для текущего времени полета PH. Приведенные массы, а также жесткости эквивалентных пружин, характеризующие различ ные формы и частоты продольных колебаний жидкости, находили из усло вия динамического равновесия системы жидкость - деформируемые по верхности баков [4, 5]. Механические колебания двигательных установок учитывали по модели физического маятника с массой, равной массе двигателя и рамы. В этой схеме двигатель считали твердым телом, подвеску - невесомыми пружи нами с координатами привязки, соответствующими точкам крепления дви гателя на опорных шпангоутах. Осуществив алгебраизацию системы уравнений собственных колебаний для сформулированной эквивалентной динамической модели PH на основе метода конечных элементов [7], получим дискретную форму уравнений вида ([ М Г '[ К ] - ю 2 [Б ]){Г }= {0}; 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3 95 А. С. Конюхов, В. С. Легеза, А. С. Цыбенко, П. Г. Крищук {Ж = {Ж}, где [М ] - матрица масс системы элементов; [К ] - матрица жесткости системы элементов; [Е] - единичная матрица; т - собственная частота; {Ж} - вектор узловых перемещений системы; {Ж} - кинематические ограничения на границе Б ̂ Собственные числа Х = т 2 матрицы [М ]_1[К ] системы уравнений (1) с наложенными ограничениями для вектора {Ж} в форме (2 ) характеризуют спектр собственных частот системы. При построении дискретной модели наиболее удобно использовать описываемые технической теорией бруса пространственные двуузловые ко нечные элементы (КЭ) постоянного сечения с шестью степенями свободы в каждом узле [6 , 7]. Распределение параметров жесткости и инерционных характеристик в данном случае относится к элементам, а сосредоточенные массы и упругие связи задаются в узловых точках конечноэлементной модели РН. Упругие и инерционные характеристики КЭ произвольной пространственной ориентации при различных видах деформации (изгиб, растяжение-сжатие, кручение, сдвиг, а также при учете влияния инерции вращения) вычисляются по известным [6 , 7] либо уточненным авторами методикам. В разработанном алгоритме решения (1), (2) применяли эффективные методы определения собственных чисел рЯ-Хаусхолдера и обратных итера ций со сдвигами [7]. Алгоритм реализовали с использованием современных вычислительных средств в виде проблемно ориентированного программно го продукта, обладающего высоким уровнем автоматизации задания вход ной и обработки выходной информации. В качестве иллюстрации приведем пример расчета конструктивного варианта РН пакетной компоновки (рис. 1) для начальной стадии полета (баки полностью заполнены жидкостью, ускорение равно нулю). На основе вышеизложенной методики динамическую модель РН (рис. 1,б) предста вим в виде пространственного пакета из семи связанных между собой изначально ненапряженных кусочно-неоднородных стержневых элементов с приведенными распределенными и сосредоточенными параметрами, экви валентными жесткостным и инерционным свойствам типовых отсеков цен трального и шести боковых блоков РН, а также полезного груза и обте кателя. Условия сопряжения блоков моделировались упругими связями с заданными кинематическими ограничениями в верхнем и нижнем силовых поясах (рис. 1,б). Конструкция верхнего пояса допускает перемещения вдоль продольной оси и накладывает ограничения на перемещения в попе речных направлениях. Для нижнего пояса имеют место ограничения на перемещения по трем взаимно перпендикулярным осям. Материал стержней - алюминиевый сплав типа Д16Т. Центральный блок РН аппроксимировали упругим кусочно-неоднородным стержнем, состоящим из 42 однородных элементов балочного типа, 10 элементов “упруго закрепленная масса” и одного элемента “упруго присоединенная балка постоянного поперечного сечения”. Каждый из четырех подвесных модулей задавали семью элемен 96 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2001, № 3 Собственные колебания жидкостных ракет-носителей тами балочного типа и тремя элементами “упруго закрепленная масса”. Два подвесных топливных бака представляли элементами “упруго присоединен ная балка постоянного поперечного сечения”. По разработанным численно-аналитическим методикам находили при веденные характеристики различного типа элементов, составляющих дина мическую модель PH: сосредоточенные и погонные массы, моменты инер ции сечений, погонные жесткости при растяжении-сжатии, изгибе, круче нии и сдвиге в элементах балочного типа, упругие и инерционные величины для параметров осцилляторов. При проведении расчетов собственных частот и форм колебаний PH исследовали влияние учета инерции вращения и деформации сдвига эле ментов балочного типа, а также сходимость конечноэлементных решений при увеличении степени дискретизации. В таблице представлены результаты расчетов первых трех собственных частот колебаний для двух дискретных аналогов динамической модели PH: базового (387 КЭ) и уточненного (2310 КЭ), с учетом и без учета влияния деформации сдвига и инерции вращения. Собственные частоты колебаний (Гц) Форма колебаний Базовая КЭ-модель Уточненная КЭ-модель без учета сдвига и инерции вращения с учетом сдвига с учетом сдвига и инерции вращения с учетом сдвига и инерции вращения Первая 2,10193 2,02581 2,01057 2,00944 Вторая 3,90386 3,44291 3,42230 3,41332 Третья 8,48869 8,30047 8,19033 8,06341 По результатам вычислений на основе базового дискретного аналога обнаружено влияние учета деформации сдвига и инерции вращения стерж невых элементах на собственные частоты и формы колебаний динамической модели PH. Так, например, учет деформации сдвига приводит к сущест венному уменьшению величин собственных частот колебаний. Наибольшее снижение частоты (13,5%) наблюдается для второй формы колебаний. Для первой и третьей форм колебаний это уменьшение составляет 3,9 и 2,1% соответственно. Дополнительный учет инерции вращения в стержневых элементах при водит к снижению рассматриваемых частот колебаний еще на 0,4...1,3% (таблица). В целом совместный учет указанных факторов обусловливает снижение собственной частоты колебаний по первой форме на 4,5%, второй и третьей - на 14,1 и 3,6% соответственно. Первые три формы собственных колебаний базовой модели PH в плос кости Х 0 2 с учетом деформации сдвига и инерции вращения стержневых элементов показаны на рис. 2. Видно, что первая и вторая формы (рис. 2,а,б) сопровождаются синхронными изгибными колебаниями центрального и бо /ЯЯМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3 91 А. С. Конюхов, В. С. Легеза, А. С. Цыбенко, Н. Г. Крищук ковых блоков. Для третьей (рис. 2,в) имеет место рассогласование форм изгибных колебаний центрального блока и боковых модулей. Во всех слу чаях представляет интерес первая форма колебаний стержневого элемента, моделирующего обтекатель полезного груза. Рис. 2. Собственные колебания PH по первой (а), второй (б) и третьей (в) формам. Анализ результатов расчета показывает, что отличие полученных зна чений собственных частот для уточненной динамической модели PH от таковых для базовой составляет 0,056% для первой основной частоты и соответственно 0,26 и 1,6% для второй и третьей. Увеличение степени дискретизации не оказывает существенного влияния на формы колебаний. Таким образом, можно утверждать, что базовая степень дискретизации обеспечивает необходимую точность определения спектра собственных ко лебаний на основе принятой динамической модели PH. Р е з ю м е Розроблено математичну модель для числових розрахунків спектру власних коливань рідинних ракет-носіїв пакетної компоновки. Для опису динамічної моделі механіко-гідравлічної системи використано елементи зі зведеними кусково-однорідними (балкового типу) розподіленими й зосередженими па раметрами жорсткості та інерційними характеристиками, для коливних мас рідини - механічні осцилятори. Приведено результати розрахунків власних частот і форм коливань конструктивного варіанту ракети-носія для почат кової стадії польоту. Вивчено вплив інерції обертання і деформації зсуву елементів балкового типу на розрахункові величини власних частот ко ливань. Досліджено збіжність скінченноелементних розрахунків. 98 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 3 Собственные колебания жидкостных ракет-носителей 1. Р аби н ови ч Б. И . Введение в динамику ракет-носителей космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1975. - 416 с. 2. М и киш ев Г. Н., Р аби н ови ч Б. И . Динамика твердого тела с полостями, частично заполненными жидкостью / Под ред. А. Ю. Ишлинского. - М.: Машиностроение, 1971. - 532 с. 3. К ол есн и ков К . С. Динамика ракет. Учебник для вузов. - М.: Машино строение, 1980. - 376 с. 4. Р аби н ови ч Б. И . Об уравнениях возмущенного движения твердого тела с цилиндрической полостью, частично заполненной жидкостью // Прикл. математика и механика. - 1956. - 20, вып. 1. - С. 39 - 50. 5. Ф ещ енко С. Ф., Л уковски й И. А ., Р аби н ови ч Б. И ., Д о к у ч а ев Л . В. Методы расчета присоединенных масс жидкости в подвижных поло стях. - Киев: Наук. думка, 1969. - 372 с. 6. T im oshenko S., Young D . H ., a n d W eaver W., Jr. Vibration Problems in Engineering. - New York: John Wiley & Sons, 1955. - 472 p. 7. B a th e K . J. a n d W ilson E. L. Numerical Methods in Finite Element Analysis. - New York: Prentice-Hall, Englewood Clifs, 1976. - 447 p. Поступила 27. 11. 2000 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 3 99

Собственные колебания жидкостных ракет-носителей пакетной компоновки

Репозитарії

Схожі ресурси