Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники

Представлен обзор литературы по применению компьютерного моделирования механических процессов в системах и агрегатах изделий аэрокосмической техники (АКТ). Отмечена возрастающая структурная сложность объектов, для которых используется моделирование, междисциплинарный характер процессов, а также слож...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Техническая механика
Date:	2014
Main Authors:	Нарыжный, А.Г., Павленко, В.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2014
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88504
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники / А.Г. Нарыжный, В.Н. Павленко // Техническая механика. — 2014. — № 4. — С. 53-64. — Бібліогр.: 54 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859757084308930560
author	Нарыжный, А.Г. Павленко, В.Н.
author_facet	Нарыжный, А.Г. Павленко, В.Н.
citation_txt	Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники / А.Г. Нарыжный, В.Н. Павленко // Техническая механика. — 2014. — № 4. — С. 53-64. — Бібліогр.: 54 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Техническая механика
description	Представлен обзор литературы по применению компьютерного моделирования механических процессов в системах и агрегатах изделий аэрокосмической техники (АКТ). Отмечена возрастающая структурная сложность объектов, для которых используется моделирование, междисциплинарный характер процессов, а также сложный характер контактного взаимодействия и значительная величина деформаций и перемещений элементов. Для моделирования используются различные методы дискретизации по пространству, причем часто в рамках единой модели. Моделирование рассматривается как конкурент или дополнение к экспериментальному методу исследования сложных систем АКТ. Представлено огляд літератури стосовно застосування комп'ютерного моделювання механічних процесів в системах і агрегатах виробів аерокосмічної техніки (АКТ). Відзначена зростаюча структурна складність об'єктів, для яких використовується моделювання, міждисциплінарний характер процесів, а також складний характер контактної взаємодії та значна величина деформацій і переміщень елементів. Для моделювання використовуються різні методи дискретизації за простором, причому часто в рамках єдиної моделі. Моделювання розглядається як конкурент або доповнення до експериментального методу дослідження складних систем АКТ. The literature on the simulation of mechanical processes in systems and units of aerospace engineering products is reviewed. The increasing structural complexity of the simulated objects, the interdisciplinary nature of the processes as well as the complex nature of the contact interaction and significant deformations and element displacements are highlighted. Various methods of space discretization are often used for the simulation with a single model. The simulation is considered as a competitor or a supplement to the experimental methods for studying complex systems of aerospace engineering.
first_indexed	2025-12-02T02:02:03Z
format	Article
fulltext	53 УДК (629.7.015.4+629.78):519.6 А. Г. НАРЫЖНЫЙ, В. Н. ПАВЛЕНКО МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ И АГРЕГАТАХ ИЗДЕЛИЙ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ Представлен обзор литературы по применению компьютерного моделирования механических про- цессов в системах и агрегатах изделий аэрокосмической техники (АКТ). Отмечена возрастающая струк- турная сложность объектов, для которых используется моделирование, междисциплинарный характер процессов, а также сложный характер контактного взаимодействия и значительная величина деформаций и перемещений элементов. Для моделирования используются различные методы дискретизации по про- странству, причем часто в рамках единой модели. Моделирование рассматривается как конкурент или дополнение к экспериментальному методу исследования сложных систем АКТ. Представлено огляд літератури стосовно застосування комп'ютерного моделювання механічних процесів в системах і агрегатах виробів аерокосмічної техніки (АКТ). Відзначена зростаюча структурна складність об'єктів, для яких використовується моделювання, міждисциплінарний характер процесів, а також складний характер контактної взаємодії та значна величина деформацій і переміщень елементів. Для моделювання використовуються різні методи дискретизації за простором, причому часто в рамках єдиної моделі. Моделювання розглядається як конкурент або доповнення до експериментального методу дослідження складних систем АКТ. The literature on the simulation of mechanical processes in systems and units of aerospace engineering products is reviewed. The increasing structural complexity of the simulated objects, the interdisciplinary nature of the processes as well as the complex nature of the contact interaction and significant deformations and element displacements are highlighted. Various methods of space discretization are often used for the simulation with a single model. The simulation is considered as a competitor or a supplement to the experimental methods for stud- ying complex systems of aerospace engineering. Ключевые слова: аэрокосмическая техника, математическое моделиро- вание, летательный аппарат, лопатка, ударные нагрузки. При эксплуатации изделий аэрокосмической техники (АКТ) и авиадвига- телей (АД) возникают разнообразные опасные ситуации, имеющие механи- ческую природу, вызванные как внешними причинами, так и особенностями работы систем АКТ и АД. Необходимо изучать возникновение и развитие подобных ситуаций и предусматривать обоснованные проектные решения, препятствующие негативным исходам или снижающие негативные послед- ствия. Все более широкое распространение для исследования процессов и со- стояний получает математическое моделирование систем и агрегатов АКТ и АД. В работе 1 отмечено, что моделирование является быстрым и малоза- тратным способом обоснования новых проектных идей. Численное модели- рование часто дает более качественно верное и количественно точное вос- произведение подробностей напряжений, перемещений и деформаций, чем более затратные и сложные экспериментальные исследования. В отличие от традиционных расчетных методик, моделирование позво- ляет учитывать большее количество особенностей конструкции и условий ее эксплуатации в их противоречивости и взаимовлиянии, повышая точность и адекватность, в целом – достоверность результатов исследования. Целью статьи является описание предметной области исследований раз- личных, в том числе опасных, ситуаций в работе изделий АКТ с помощью моделирования. Обзор не касается вопросов технологии и традиционных во- просов, например термопрочности и ползучести лопаток двигателей. Затро-  А. Г. Нарыжный, В. Н. Павленко, 2014 Техн. механика. – 2014. – № 4. 54 нуты вопросы моделирования сугубо нестационарных процессов, в основном связанных с соударением и контактным взаимодействием тел. Рассмотрены исследования, проведенные, в основном, с помощью пакета программного обеспечения (ПО) LS-DYNA 2 и опубликованные в последние 10 лет, при- менение других пакетов особо оговаривается. В работе 1 отмечено, что пространственная дискретизация в числен- ном анализе обычно основана на одном методе – лагранжевом методе конеч- ных элементов (МКЭ) 3 или Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) 4, эйле- ровом МКЭ или же смешанном Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) 5. При моделировании конструкций при действии удара или импульсной нагрузки каждый из методов обладает достоинствами и недостатками. Нет одного лучшего во всех применениях метода. Комбинирование разных методов в рамках одной модели, по-видимому, будет лучшим с точки зрения точности и вычислительной эффективности. Но такой смешанный подход требует согла- сования применения методик в рамках единого вычислительного процесса. Руководитель разработки J. Hallquist в работе 6 высказал стратегию еди- ного кода пакета LS-DYNA (много задач и методов – единый код), что позво- ляет в единой программной среде моделировать комплексные процессы, например тепломассообмен в системе деформируемых тел, притом различны- ми методами, что дает возможность обосновывать точность модели расчетным путем. Описаны новые возможности и направления развития пакета. Локальные ударные воздействия и разрушение планера ЛА. Столк- новения летательных аппаратов (ЛА) с птицами имеют важные технические и коммерческие последствия. В статье 7 отмечается, что потери авиакомпа- ний в 1999 – 2000 гг. оцениваются в 1 млрд. долл. США. Эти потери склады- ваются из стоимости ремонта, восстановления и списания авиатехники, а также снижения доходов операторов в связи с задержками авиарейсов. Для уменьшения ущерба ведущие организации U.S. Federal Aviation Аdministra- tion и European Joint Aviation Authority установили требования, в соответ- ствии с которыми каждый вновь созданный коммерческий ЛА должен прой- ти процедуру сертификационных испытаний и продемонстрировать безопас- ность при столкновениях с птицами. Для различных типов ЛА установлены обязательные виды и параметры столкновений. Скорость соударения лежит в пределах 100 – 400 м/с. В рамках требований разработана программа иссле- дований надежности ЛА the European Union Research Programme CRAHVI (Crashworthness of Aerocraft for Hygh Velocity Impact) 8, связанная с изуче- нием высокоскоростного удара летящими объектами по ЛА, например пти- цей, градом, обломками двигателя или колес. Для исследований соударений применяется компьютерное моделирование. Работа 7 описывает результаты моделирования для оценки влияния формы птицы (четырехфунтового канадского гуся) на процессы при столк- новении ее с поверхностью. Параметры тушки гуся получены от International Bird-Strike Research Group. Рассмотрены общепринятая в расчетах форма мо- дели птицы (цилиндр с полусферическими законцовками) и сложная модель (туловище, крылья, шея), позволяющая учесть неодновременность и неодно- родность удара. Используются ALE и SPH методы дискретизации. Результаты для мишени при взаимодействии со стандартной моделью птицы, полученные ALE и SPH, очень близки по амплитуде и по фазе. Ре- 55 зультаты для стандартной модели и «гуся» различаются, в особенности, по времени. В работе 9 отмечено, что столкновение с птицами представляет расту- щую угрозу, особенно для элементов из композитных материалов. Предло- жена новая модель материала, основанная на теории механики повреждений, для композитных материалов на тканевой основе с возможностью моделиро- вания прогрессирующего разрушения. Приведены примеры применения, подтверждающие достоверность модели материала. В статье 10 с использо- ванием SPH подхода исследуется влияние количества и ориентации слоев композита на характер повреждения элемента конструкции при ударе птицы. В работе 11 приведены результаты исследования по соударению композит- ной конструкции крыла с птицей (использована лагранжева конечно- элементная (КЭ) модель), а также с твердыми обломками для Airbus A300. В статье 12 описано исследование в рамках подхода ALE столкновения с пти- цей передней кромки крыла самолета с обшивкой типа flexor; в отличие от предыдущих работ, использовавших ПО LS-DYNA, данное исследование проведено с использованием ПО DYTRAN 13. Во всех случаях отмечено хорошее соответствие результатов исследования экспериментальным дан- ным. В статье 14 отмечается, что процесс соударения с птицей относится к направлению механики FSI (Fluid-Structure-Interaction), так как тушка при ударе не держит форму, «течет». С использованием SPH подхода моделиру- ется как первичное, так и вторичное столкновение птицы с композитными элементами конструкции ЛА. В работе 15 отмечается опасность соударения композитных элементов конструкции ЛА с градом. Приведены результаты моделирования соударения града и углеволоконного композита. Отмечено соответствие характера раз- рушения в модели и в эксперименте. В статье 16 приведены результаты моделирования и экспериментов по косому удару твердым телом со скоростью 5 м/с по поверхности триплекса, содержащего начальные повреждения. Отмечено хорошее соответствие дан- ным эксперимента. Модель может быть применена для анализа прочности и разрушения фонаря кабины пилотов. В работе 17 описаны результаты моделирования и экспериментов по соударению обрывка протектора колеса со скоростью 7 – 50 м/с с панелью крыла с энергией удара до 400 Дж. Статья 8 описывает моделирование соударения на скорости 39 м/с го- ризонтального стабилизатора ЛА из композитного материала со столбом при аварийной посадке, а также с птицей. Использованы лагранжев МКЭ и ALE подход для модели птицы. Ударные повреждения и разрушение авиадвигателей. Особую роль и значение с точки зрения безопасности полета имеют повреждения АД. В ли- тературе рассматриваются варианты соударения отличных по своим механи- ческим свойствам объектов с различными частями АД. В работах 18, 19 отмечается, что стойкость к удару птицы – одно из наиболее важных сертификационных требований, предъявляемых к совре- менным АД. Удовлетворение указанных требований достигается сложно и обеспечивается дорогими экспериментами. Затраты могут быть существенно 56 уменьшены посредством моделирования. В работе 18 рассматриваются и сравниваются три похода к моделированию соударения (модели) птицы и лопаточного колеса АД: чисто лагранжева МКЭ модель птицы; модель пти- цы SPH; модель птицы ALE. Во всех моделях колесо и лопатки жесткие недеформируемые. Исполь- зуются различные контактные интерфейсы. Сравниваются силы взаимодей- ствия лопатки и птицы, параметры сеток, а также необходимые ресурсы ком- пьютера. Предпочтительной оказывается лагранжева модель МКЭ. В статье 20 представлено моделирование попадания 2,5-фунтовой пти- цы в компрессор низкого давления и в компрессор высокого давления турбо- вентиляторного АД PW6000. Использованы подходы ALE и SPH. В качестве результатов моделирования показаны деформации лопатки компрессора вы- сокого давления. Отмечено соответствие результатов моделирования и экс- перимента. В работе 21 описаны результаты моделирования и экспериментов по соударению птицы с коком винта поворотного АД. Особенности конструк- ции АД таковы, что повреждение кока поворотного винта из-за разрушения элементов системы управления приводит к аварии и потере самолета. Резуль- таты исследования используются для уточнения параметров разработанной конструкции. В работе демонстрируется соответствие результатов расчетов и эксперимента. В статье 22 описано моделирование столкновения птицы с лопатками вентилятора АД. Для генерации сеток использовано ПО ProStar. Использова- на материальная модель упругопластичности для лопаток АД, а также учтено трение между лопатками и тушкой птицы. Использована лагранжева модель птицы с дискретизацией по МКЭ и SPH. Использована необщепринятая фор- ма модели птицы в виде цилиндра с коническим оголовком. Для материала птицы использовано уравнение состояния Грюнайзена. Исследование влияния параметров тушки птицы на характер поврежде- ний лопаток АД представлено в 19. В работе используется лагранжева мо- дель птицы с дискретизацией SPH и уравнение состояния Гюгонио. В работе 23 представлены методика и результаты моделирования столкновения четырехфунтового канадского гуся и входного композитного обтекателя АД. В модели гуся выделены туловище, крылья, шея и голова. Дискретизация гуся выполнена по методу SPH. Дается сравнение результатов эксперимента и моделирования (вид обтекателя после столкновения), оче- видно отличное соответствие. По результатам моделирования в 24 сформу- лирован принцип проектирования надежных композитных коков винта с уче- том столкновения с птицами. Статья 25 посвящена расширению подхода ALE с использованием обо- лочек, в частности для лопаток АД. В отличие от использованных в выше- упомянутых работах моделей, учтена толщина оболочек, что повышает адек- ватность модели. Ранее, например 20, для тела лопатки АД использовались объемные элементы, что приводило к увеличению потребных ресурсов ком- пьютера. В качестве примеров применения названы различные системы, включающие конструкции типа оболочки, взаимодействующие с текучей средой: удар птицы по поверхности или по лопаткам АД, удар лопасти вер- толета по воде, оболочки, испытывающие воздействие ударной струи под углом, сердечный клапан. 57 В работе 26 моделируется ситуация отрыва пера лопатки. В этом случае лопатка или ее обломки не должны проникать сквозь корпус АД. Во избежа- ние прободения корпус обычно имеет утолщения, что заметно утяжеляет двигатель. В работе рассмотрено усиление корпуса путем изменения не тол- щины, но формы в виде рельефных проштамповок. Влияние параметров уси- ления анализируется на основе результатов моделирования. Отмечено хоро- шее соответствие данных моделирования экспериментальным данным. В статье 27 описано моделирование воздействия града на элементы АД. Для града используется модель SPH, для оболочки – модель МКЭ. Дано сравнение результатов моделирования с результатами эксперимента, отмече- но хорошее соответствие. Катастрофы с участием летательных аппаратов. Крупные катастрофы невоспроизводимы в полном объеме и с учетом всего комплекса обстоятель- ств, в связи с чем возможность виртуального (при необходимости вариантно- го и многократного) воспроизведения процессов, сопровождающих ката- строфы, является бесспорным преимуществом моделирования при расследо- вании инцидентов, а также планировании мер для снижения негативных по- следствий. В работе 28 описано моделирование удара самолета по зданию торго- вого центра в Нью-Йорке. Результаты моделирования использованы для про- ведения различных экспертиз: динамики пожара, кинетики термических из- менений в элементах конструкции и разрушения зданий. Применены подхо- ды SPH и ALE. Приведено моделирование испытания образцов, отмечено хорошее соответствие результатам эксперимента. В статье 1 отмечена тенденция использования смешанных моделей (комбинаций лагранжевого МКЭ, эйлерового МКЭ, ALE или лагранжевого SPH). Для демонстрации преимуществ смешанной дискретизации рассмотре- ны четыре примера: а) столкновение самолета с башней и ее последующим разрушением в Нью-Йорке; б) косой удар по железобетонной плите; в) под- водный взрыв и его действие на полый цилиндр; г) взрыв оболочечного заря- да в железнодорожном вагоне. Сравнение с экспериментальными результа- тами показывает преимущества смешанной техники. В отличие от предыду- щей работы, для моделирования использовано ПО AUTODYN 29. Ударные повреждения космических объектов. Особые условия откры- того космоса трудно воспроизвести комплексно в эксперименте, что опреде- ляет преимущество моделирования. Искусственные спутники Земли (ИСЗ), космические аппараты (КА) различного назначения эксплуатируются в экс- тремальных условиях и испытывают ударное действие со стороны различных тел, движущихся с космическими скоростями. Моделирование используется для исследования повреждаемости и обоснования систем защиты от удара ИСЗ и КА. В работе 30 описано моделирование, проводимое в рамках расследова- ния катастрофы шаттла «Колумбия» 1 февраля 2003. Расследование позволи- ло установить причину катастрофы (отрыв плитки теплозащиты и удар по передней кромке крыла при запуске 16 января 2003) и позволило проанали- зировать последовательность развития и тяжесть повреждений. Сравнение результатов моделирования и экспериментов показывает хорошее согласие как характера разрушения, так и количественных значений параметров. 58 В статье 31 высказано суждение о том, что всевозможные обломки (космический мусор) представляют в настоящее время наибольшую опас- ность для ИСЗ и КА на околоземной орбите. Соударения частиц мусора и защитных экранов происходят со скоростями порядка 4 – 8 км/с, при которых металлы проявляют свойства течения, что и порождает трудности в изучении механических процессов. Адекватные вычислительные модели позволят по- высить действенность защитных мер и оценить возможные повреждения. В работе отмечено, что обычно и ударник, и мишень моделируются с помощью SPH частей. В данном случае используется комбинированная модель мише- ни, включающая сцепленные SPH модель зоны удара и лагранжеву МКЭ мо- дель вне зоны повреждения. Такой подход снижает общее количество пере- менных в модели и общее время моделирования. В статье 32 для уменьшения количества переменных и экономии ресур- сов компьютера используется осесимметричная SPH модель соударения со скоростью 6,7 км/с и проникания ударника в мишень с образованием облака осколков и кратера. Рассмотрены удар стального стержня о жесткую прегра- ду (тест Тейлора), удар по тонкой пластинке (эксперименты Piekutowsky), удар по двойной стенке. В отличие от предыдущих работ, в которых модели- рование велось с помощью ПО LS-DYNA, в данном исследовании использо- вано ПО AUTODYN. Отмечается хорошее соответствие с результатами экс- перимента и расчетами в рамках эйлерова подхода. Особенностью работы 33 является исследование баллистического удара по тонким титановым пластинкам, в то время как в работе 34 моделируется прямой и косой удар (со скоростью 4000 м/с) алюминиевой сферы диаметром 3 мм по алюминиевой же мишени. Используются подходы SPH и ALE. Процессы в топливных системах. Топливные системы ЛА представля- ют собой гетерогенные двухфазные механические системы, которым прису- щи большие перемещения и деформации в виде течений со свободной по- верхностью, для которых неприменим лагранжев метод конечных элементов. Значительное внимание уделено исследованию особенностей поведения топлива в баке и трубопроводах ЛА. Исследуются два вида систем: 1) за- мкнутые объемы жидкости (для них опасен гидроудар) и 2) жидкость со сво- бодной поверхностью (для них характерно плескание – sloshing). В статье 35 эти задачи отмечаются как типичные задачи FSI и различаются следую- щие аспекты проблемы: 1) плескание как причина потерь топлива; 2) плеска- ние как специфическое механическое возмущение бака и подкрепляющих бак конструкций; 3) плескание как особое условие работы топливной систе- мы и насосов. Плескания возбуждаются в различных условиях: 1) при резком измене- нии скорости (ударе); 2) при резком изменении направления движения (ру- лежке). Повторяющиеся во времени возмущения могут вызвать своеобразный «резонанс» в топливной системе. Отмечается, что конструкция топливной системы воздушного судна и инструкции по ее эксплуатации должны пройти специальный sloshing test. Традиционный метод анализа плескания (простые ручные вычисления) ограничен рассмотрением случаев: 1) слабого волнения; 2) не рассматривает- ся плескание с ударом в свод и крышку бака; 3) рассматриваются только баки 59 с твердыми стенками простой формы и жесткие перегородки без отверстий и др. В статье ставится вопрос о разработке численной методики анализа плесканий с учетом свободной поверхности на основе подхода ALE. Рас- смотрены примеры моделирования движения жидкости в неполном баке без перегородок и с перфорированными перегородками. В работе 36 рассмотрен еще один пример моделирования плескания (бак сложной формы) с применением ALE. В статье 37, в отличие от предыдущих, использовавших явный метод решения задачи по времени, применен неявный метод, что повышает эффек- тивность моделирования. Изучены особенности движения несжимаемой жидкости с низким числом Маха на большом промежутке времени. В работе 38 рассматривается задача течения жидкости со свободной поверхностью. В качестве примеров приведены: волнение в резервуаре, сво- бодное истечение из резервуара, вихревое течение в резервуаре. Использует- ся подход ALE. В статье 39 исследуется движение сжимаемой жидкости в трубопрово- де. Рассмотрены в качестве примеров: гидравлический удар в трубе, дифрак- ция волны давления около угла трубы. В работе 40 моделируется взаимодействие алюминиевого контейнера, наполненного жидкостью, и ударника, пробивающего контейнер с первона- чальной скоростью 2 км/с. Хорошо видна ударная волна, кавитационный след в виде канала следом за ударником. Рассмотрены варианты чистой и аэрированной жидкости, содержащей паровую фазу. Проведен эксперимент с водой для сравнения с результатами моделирования. В 6 точках регистриро- валась зависимость давления от времени. Получено хорошее совпадение за- висимостей по амплитуде и фазе. Отмечена зависимость результатов от сте- пени аэрации. Модель можно использовать для анализа поражения топливно- го бака снарядом или осколком. В работе 41 описано моделирование поражения осколками разрушен- ного двигателя жесткого топливного бака с топливом. В отличие от ранее цитируемых работ, использовавших ПО LS-DYNA, в данной работе исполь- зовано ПО AUTODYN. Приземление и приводнение ЛА и КА. Отмеченная выше программа CRAHVI 8 предусматривает изучение условий безопасного приземления ЛА на различные поверхности (твердые или водные) при различной степени волнения. Приземление ЛА и КА сопряжено с ударом и разрушением. Для уменьшения ударных нагрузок используются различные методы и устрой- ства. Решается общая задача об оценке воздействия удара и эффективности систем защиты конструкции и экипажа. Приводнение ЛА и КА связано с особым характером взаимодействия твердых тел и жидкости. Это типичная проблема FSI. В исследовании 42 рассмотрено моделирование падения на твердую поверхность и удара секции КА многоразового использования. Для защиты конструкции и экипажа использован специальный разрушаемый блок. Изу- чена эффективность такой защиты. Проведено сравнение с результатами те- ста, в которых использован датчик внедрения в поверхность. Сравниваются 60 кратеры, образованные при ударе блока на поверхности. Отмечено очень хо- рошее соответствие результатов моделирования и эксперимента. В работе 43 проведено моделирование взаимодействия шасси самолета и искусственного препятствия из разрушаемого вспененного материала, раз- мещенного в конце взлетно-посадочной полосы при совершении аварийной посадки ЛА. При разрушении материала диссипируется кинетическая энер- гия ЛА, он безопасно тормозится. Используются два способа дискретизации материала – лагранжевы МКЭ и SPH. Выполнено сравнение результатов мо- делирования с использованием двух способов дискретизации. В статье 44 представлены результаты моделирования приводнения ко- мандного модуля корабля «Аполло» и систем КА будущего поколения. Ис- пользован подход ALE. Отмечено хорошее соответствие результатам экспе- римента. В работе 45 описано моделирование приземления и приводнения кап- сулы корабля «Орион». Предварительно моделируется снижение капсулы с использованием парашюта. Одним из элементов модели корабля является манекен астронавта, что дает возможность оценки механического воздей- ствия различных факторов как на конструкцию корабля, так и на экипаж. В работе 46 приведены результаты моделирования удара о воду типич- ной авиационной панели, а также сравнение с экспериментом. При модели- ровании жидкости использованы бессеточные лагранжевы методы SPH и EFG (Element Free Galerkin) 4. Второй метод первоначально предложен для задач распространения трещин, а для жидкости применяется редко. При мо- делировании жидкости применены неотражающие границы, вязкость, кави- тация. Отмечается реалистичность результатов моделирования, например брызги. Амплитудные и в особенности частотные характеристики решений с применением EFG ближе к экспериментальным значениям. В статье 47 отмечается, что приводнение вертолета, например при ма- неврировании, заборе воды при тушении пожаров, при аварии часто имеет трагические последствия. Приведены результаты моделирования удара пане- лей конструкции вертолета или винта по поверхности воды. Используются подходы SPH и ALE. Акустическое и тепловое воздействия на элементы конструкции ЛА. Агрегаты ЛА, в особенности двигатель, являются источником и одновремен- но чувствительным объектом акустического и теплового воздействий, име- ющих распределенный и быстро меняющийся во времени характер. В работе 48 в качестве разновидностей акустического воздействия названы: основные вибрации, плоские волны, прогрессивные волны, ревер- берирующий звук, турбулентный погранслой, ударные волны. Отмечено, что некоторые элементы, кроме акустического воздействия, испытывают дей- ствие потоков тепла (воздухозаборники АД, термозащитные панели), что усложняет их работу, а также анализ состояния. Необходимо исследовать одновременное воздействие этих факторов, чтобы использовать полученные знания при проектировании. Рассмотрены два объекта моделирования при сложном термоакустическом воздействии: пластина и воздухозаборник АД. В исследовании 49 описан вариационный метод граничных элементов для моделирования акустических полей и воздействий. В качестве примеров 61 рассмотрены: пульсирующая сфера, прямоугольная камера, жесткая полость с упругой стенкой. В работе 50 рассмотрено моделирование методом конечных разностей нелинейного акустического взаимодействия двумерной пластинки и сжимае- мой невязкой жидкости. Техническая проблема связана с акустическим воз- действием на крупные объекты аэрокосмической техники, а также на органы слуха человека. В статье 51 описаны новые возможности акустического анализа ПО LS- DYNA. В качестве примера рассмотрена акустическая модель ИСЗ. Термомеханическое взаимодействие потоков и агрегатов ЛА. Одним из направлений исследований FSI является моделирование движений и теп- лообмена гибких элементов ЛА в низкоскоростном несжимаемом или сжи- маемом потоке. В работе 52 используется алгоритм решения уравнений Навье–Стокса для несжимаемых течений и описано моделирование парашютов различных систем, влияние спутного течения от пролетающего ЛА на парашют, моде- лирование параплана, моделирование набора воды «на ходу» в емкость, при- крепленную к вертолету при тушении пожаров. В статье 53 описана подсистема CESE пакета LS-DYNA для решения задач о несжимаемом потоке. Особенность этой подсистемы в том, что она допускает объединение с твердотельной моделью в рамках задач FSI. Тече- ние можно считать несжимаемым, если число Маха не превосходит 0,3. В пакете LS-DYNA CESE-подсистема обеспечивает высокую точность реше- ний для сжимаемых жидкостей, а ALE-подсистема – и для сжимаемых, и для несжимаемых. Метод CESE для сжимаемых сред: полностью консерватив- ный по пространству и времени, второго порядка точности, новейший и про- стой метод сквозного счета, ударные волны и малые возмущения моделиру- ются одновременно. Приведены примеры: обтекание и действие ветра на панель солнечной батареи, ток крови при максимальном открытии сердечного клапана, связан- ный тепло-массообмен в теплообменнике-змеевике, обтекание тела сложной формы. В работе 54 проведено совместное междисциплинарное моделирование для изучения температурного поля в турбинной лопатке, расположенной в регуляторе высокого давления вертолетного двигателя. Использован подход Large Eddy Simulation (LES) для расчетов нестационарной реакции потока в камере сгорания и объединения моделирования радиационного и кондуктив- ного теплообмена в корпусе компрессора высокого давления. Выводы. Механико-математическое моделирование широко применяет- ся для изучения ситуаций и процессов в различных системах АКТ и во взаи- модействии с разнообразными внешними объектами и полями. Разработаны методики моделирования, изучены их вычислительная эффективность и точ- ность. Многочисленные сравнения результатов экспериментов и моделиро- вания позволяют утверждать достоверность последних. Моделирование име- ет ряд преимуществ перед экспериментальными исследованиями. В отличие от экспериментальных методов, моделирование может быть проведено на допроектном этапе для обоснования возможности новых реше- ний, сокращая таким образом сроки проектирования. Моделирование не 62 нуждается в использовании опытных образцов, сокращая трудоемкость и стоимость разработки изделий, и при этом позволяет сравнить широкий круг вариантов исполнения, обеспечивая выбор для реализации наиболее удачных проектных решений. Моделирование позволяет обосновать решения в слу- чае, когда затруднительно воспроизвести условия функционирования систем (например, пониженная или повышенная гравитация), и при этом позволяет разделить влияние различных факторов и свойств, когда это трудно сделать в эксперименте. Моделирование позволяет раскрыть причины или условия от- каза систем, поскольку позволяет получить значительно бо́льший объем ка- чественно иных данных о процессах, чем в эксперименте. Наконец, модели- рование может быть этапом или элементом более обширной процедуры ис- следования, например с применением эксперимента или немеханических экспертиз. Достоверность результатов моделирования основана на адекватности ме- ханико-математических моделей (МММ) процессов и точности числовых методик их реализации. Для МММ характерна все возрастающая сложность, вытекающая из гео- метрического, структурного и материального разнообразия элементов моде- лируемых объектов, разнообразия воздействий на объект и взаимодействия элементов объекта, разнообразия материальных свойств и значений матери- альных характеристик, количества элементов и объема модели, достигающе- го изделия в целом. Многие объекты являются представителями FSI – нового направления прикладной механики систем взаимодействующих твердых и текучих сред. Взаимодействие элементов часто имеет контактно-ударный характер, что предъявляет особые требования к методикам решения МММ. Для процессов, протекающих в объектах, характерна связанность задач (мультифизичность). Часто объекты подвергаются последовательным воз- действиям, в результате которых меняются их свойства, и эти изменения накапливаются, что должно быть отражено в формулировках МММ. Эффективность моделирования обеспечивается наличием ряда подходов (эйлеров, лагранжев и смешанный ALE подходы) и методов численной реа- лизации (методы конечных разностей, граничных и конечных элементов, SPH, EFG, CESE и др.), а также их комбинаций. Наличие разнообразных про- граммных продуктов, использующих эти методы (LS-DYNA, DYTRAN, AUTODYN и др.), позволяет практически применять моделирование. Ис- пользование различных методов и программных продуктов для реализации одной МММ позволяет обосновать достоверность путем сравнения результа- тов по различным моделям, что особенно важно, когда иные методы иссле- дования невозможны. Различные методы и подходы к дискретизации имеют преимущества и недостатки в отношении моделирования конкретных материалов и условий, поэтому применяются комбинированные дискретные модели, например ла- гранжева МКЭ-модель металлической детали и CESE-модель обтекающего потока. Общность основ (МММ, подходов, методов и программных продуктов) позволяет исследовать процессы в системах и объектах иного происхождения и назначения, чем АКТ. Разработка, обоснование адекватности, эффективное использование МММ для исследования таких объектов требует специальных знаний и навыков. Необходимо развивать образовательное направление по 63 обучению вопросам и приемам эффективного моделирования сложных гете- рогенных механических систем при комплексном воздействии факторов раз- личной природы. 1. Numerical simulation of structural deformation under shock and impact loads using a coupled multi- solver approach / X. Quan, N. K. Birndaum , M. S. Cowler at all // 5th Asia- Pacific Conference on Shock and impact loads on structures, november 12–14 , 2003, Hunan, China. – 9 p. 2. LS-DYNA. Keyword users manual. Version 971. – Livermore: LSTC, 2006. – 1520 p. 3. Зенкевич О. Конечные элементы и аппроксимация / О. Зенкевич, К. Морган. – М. : Мир, 1986. – 318 с. 4. Belytschko T. Meshfree and Particle Methods / T. Belytschko, J. S. Chen. – John Wiley and Sons Ltd, 2007. – 384 р. 5. Arbitrary Lagrangian-Eulerian methods / J. Donea, A. Huerta, J.-P. Ponthot at all // Encyclopedia of Computational Mechanics. – John Wiley & Sons, 2004. – P. 1 – 38. 6. Hallquist J. Recent developments in LS-DYNA / J. Hallquist // 7th European LS-Dyna conference, 2009, Solzburg. – P. 1 – 52. 7. McCallum S. C. The influence of bird-shape in bird-strike analysis/ S. C. McCallum, C. Constantinou // 5th European LS-DYNA Conference, 2005, Birmingham. – P. 1 – 11. 8. Horizontal tailplane subjected to impact loading / M. Hormann, U. Stelzmann, M. A. McCarthy at all // 8th International LS-DYNA Conference, 2004, Detroit. – P. 10 -11 – 10-30. 9. Iannucci L. Bird strike modeling using a new woven glass failure model / L. Iannucci, M. Donadon // 9th International LS-DYNA Conference, 2006, Detroit. – P. 18-41 – 18-54. 10. Effect of ply number & orientation of composite structure in bird strike analysis / N. L. Trivikram, R. Y. Mrityunjaya, V. Ramesh at all // 4th ANSA & μETA International Conference, 2008. – 5 p. 11. Hormann M. FE-application in aircraft structure analysis / M. Hormann // 10th International LS-DYNA Conference, Detroit, 2008. – P. 16-27 – 16-46. 12. Guida M. Evaluation and validation of multi-physics FE methods to simulation bird strike on a wing leading edge / M. Guida, F. Marulo, M. Meo // 2007. – P.2. 13. http://www.mscsoftware.com. 14. Lavoie M.-A. Application of the SPH method for simulation of aerospace structures under impact loading / M.-A. Lavoie, A. Gakwaya, M. N. Ensan // 10th International LS-DYNA Conference, 2008, Detroit. – P. 9-35 – 9-42. 15. Starke P. Hail impact simulation on CFC covers of a transport aircraft / P. Starke, F. Mayer // 8th European LS-DYNA Users Conference, may 2011, Strasbourg. – 11 р. 16. An approach to capture the ejection mitigation requirements of FMVSS 226 with finite element simulations / A. Haufe, G. Dimitru, A. Hirth at all // 8th European LS-DYNA Users Conference, may 2011, Strasbourg. – 18 р. 17. Birch R. S. Post-test simulation of airliner wing subject to tire debris impact / R. S. Birch, C. Berger, M. Kracht // 5th European LS-DYNA Conference, 2005, Birmingham. – P. 1 – 6. 18. Fan blade bird strike analysis using Lagrangian, SPH and ALE approaches / A. A. Ryabov, V. I. Romanov, S. S. Kukanov at all // 6th European LS-DYNA Conference, 2007, Gothenburg. – С. 1.183 – 1.194. 19. Modeling bird impact on a rotating fan: the influence of bird parameters / M. Selezneva, P. Stone, T. Moffat at all // 11th International LS-DYNA Users Conference, 2010, Detroit. – P. 1-37 –1-46. 20. Frischbier J. Multiple stage turbofan bird ingection analysis with ALE and SPH methods / J. Frischbier, A. Kraus // ISABE-2005. – 2005. – 1016. – P. 1 – 9. 21. Tho C.-H. Bird strike simulation for BA609 spinner and rotor control / C.-H. Tho, M. R. Smith, Н. Chen // 9th International LS-DYNA Conference, 2006, Detroit. – P. 18-21 – 18-22. 22. Bird strike analysis of aircraft engine fan / Y. N. Shmotin, P. V. Chupin, D. V. Gabov at all // 7th European LS-Dyna conference, 2009, Solzburg. – P. 1 – 6. 23. External blast load on structures. – Empirical approach / M. Anghileri, L. Castelletti, F. Invernizzi at all // 5th European LS-DYNA Conference, 2005, Birmingha,.– С. 1 – 12. 24. A strategy to design bird-proof spinners / M. Anghilieri, L.-M. Castelletti, D. Molinelli at all // 7th European LS-Dyna conference, 2009, Solzburg. – P. 1 – 10 25. Wang J. Fluid Structure Interaction for Immersed Bodies / J. Wang, H. Chen // 6th European LS-DYNA Conference, 2007, Gothenburg. – Р. 4.3 – 4.8. 26. Jet engine fan blade containment using two alternate geometries / K. Carney, M. Pereira, D. Revilock at all // 4th European LS-DYNA Conference, 2003, Ulm. – P. I-1-01 – I-1-10. 27. Development of hail material model for high speed impact on aircraft engine / Y. Chuzel, A. Combescure, M. Nucci at all // 11th International LS-DYNA Users Conference, 2010, Detroit. – P. 1-17 – 1-26. 28. Modeling methodologies for assessment of aircraft impact damage to the World Trade Center Towers / S. W. Kirkpatrick, R. T. Bocchieri, R. A. Macneil at all // 9th International LS-DYNA Conference, 2006, De- troit. – P. 9-53 – 9-68. 29. http://www.century-dynamics.com 30. Test and analysis correlation of foam impact onto space shuttle wing leading edge RCC Panel 8. / E. L. Fasanella, K. H. Lyle, J. Gabrys at all // 8th International LS-DYNA Conference, 2004, Detroit. – P. 3-11 – 3-22. http://www.dynalook.com/european-conf-2005/Mccallum.pdf http://www.dynalook.com/international-conf-2008 http://www.dynalook.com/international-conf-2008 http://www.dynalook.com/international-conf-2008 http://www.dynalook.com/european-conf-2007/fan-blade-bird-strike-analysis-using-lagrangian.pdf http://www.dynalook.com/european-conf-2005/Leblanc.pdf 64 31. Mazars G. High velocity impacts simulations with SPH methods in LS-DYNA / G. Mazars, G. Desille, V. Lapoujade // 6th European LS-DYNA Conference, 2007, Gothenburg. – Р. 1.195 – 1.196. 32. Hayhurst C. J. Cylindrically symmetric SPH simulations of hypervelocity impacts on thin plates / C. J. Hayhurst, R. A. Clegg // 1996 hypervelocity impact symposium, Freiburg, october 1996; International journal impact engineering. – 1996. –V. 20. – 16 p. 33. On fracture criterion of titanium alloy under dynamic loading conditions / P. A. Mossakovsky, F. K. Antonov, A. M. Bragov at all // 8th European LS-DYNA Users Conference, may 2011, Strasbourg. – 8 р. 34. Plassard F. Hypervelocity impact of aluminium sphere against aluminium plate : experiment and LS-DYNA correlation / F. Plassard, J. Mespoulet, P. Hereil // 8th European LS-DYNA Users Conference, may 2011, Strasbourg. – 11 р. 35. A new ALE formulation for sloshing analysis / N. Aquelet, M. Souli, J. Gabrys at all // Structural Engineering and Mechanics. – 2003. –Vol. 16, No. 4. – P. 1 – 18. 36. Ma J. Modeling of fuel sloshing phenomena considering solid-fluid interaction / J. Ma, M. Usman // 8th International LS-DYNA Conference, 2004, Detroit. – P. 4 -15 – 4-20. 37. Del Pin F. An implicit incompressible CFD solver in LS-DYNA for fluid-structure interaction problems / F. Del Pin // 10th International LS-DYNA Conference, 2008, Detroit. – P. 15-21 –15-22. 38. Soulaimani A. An arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element method for solving three-dimensional free surface flows / A. Soulaimani, Y. Saad // Computer methods in applied mechanics and engineering. – 1998. – 162. – P. 79 – 106. 39. Zhang Z.-C. How to use the new CESE compressible fluid solver in LS-DYNA / Z.-C. Zhang // 11th International LS-DYNA Users Conference, 2010, Detroit. – P. 6-19 – 6-20. 40. McCallum S. C. Simulation of hydrodynamic ram and liquid aeration / S. C. McCallum, D. D. Townsend // 5th European LS-DYNA Conference, 2005, Birmingham. – P. 1 – 12. 41. Santini P. Numerical simulation of fluid-structure interaction in aircraft fuel tanks subjected to hydrodynamic ram penetration / P. Santini, D. Palmieri, M. Marchetti // 21st ICAS congress, sept. 13-18, 1998, Melbourne, Australia. – 8 p. 42. Fasanella E. L. Soft soil impact testing and simulation of aerospace structures / E. L. Fasanella, K. E. Jackson, S. Kellas // 10th International LS-DYNA Conference, 2008, Detroit. – P. 18-29 –1 8-42. 43. Barsotti M. Comparision of FEM and SPH modeling a crushable foam aircraft arrestor bed / M. Barsotti // 11- th International LS-DYNA Users Conference, 2010, Detroit. –P. 16-37 – 16-54. 44. Tutt B. A. The use of LS-DYNA to simulate the water landing characteristics of space vehicles / B. A. Tutt, A. P. Taylor // 8th International LS-DYNA Conference, 2004, Detroit. – P. 1-1 – 1-15. 45. Tabiei A. ORION spacecraft water and land landing system simulation; an injury case study / A. Tabiei, C. Lawrence // 8th European LS-DYNA Users Conference, may 2011, Strasbourg. – 22 р. 46. Anghileri M. Water impact: experimentaltests and numerical simulations using meshless methods / M. Anghileri, L. Castelletti, E. Francesconi // 6th European LS-DYNA Conference, 2007, Gothenburg. – P. 1.183 – 1.194. 47. Francesconi E. A numerical-experimental investigation of crash behaviour of skin panel during a water impact comparing ALE and SPH approaches / E. Francesconi, M. Anghilieri // 7-th European LS-Dyna conference, 2009, Solzburg. – P. 1 – 10. 48. Structural analysis with vibro-acoustic loads in LS-DYNA / M. Rassaian, Y. Huang, J. Lee at all // 10th International LS-DYNA conference, 2008, Detroit. – P. 8-45 – 8-60. 49. Alia A. Acoustic and vibroacoustic modeling in LS-DYNA based on variational BEM / A. Alia, M. Souli // 5th European LS-DYNA Conference, Birmingham, 2005. – P. 1 – 10. 50. Aginsky Z. Numerical analysis of nonlinear acoustic fluid-structure interaction of a two dimensional plate in an inviscid compressible fluid / Z. Aginsky, O. Gottlieb // ENOC 2011, 24-29 July 2011, Rome, Italy. –2 p. 51. Development of frequency domain dynamic and acoustic capabilities in LS-DYNA / Y. Huang, M. Souli, C. Ashcraft at all // 8th European LS-DYNA Users Conference, may 2011, Strasbourg. – 9 р. 52. Taylor A. P. Developments in the application of LS-DYNA to fluid structure interaction (FSI) problems in recovery system design and analysis / A. P. Taylor // 7th International LS-DYNA Conference, 2002, Detroit. – P. 10-17 – 10-26. 53. Del Pin F. Advances on the incompressible CFD solver in LS-DYNA / F. Del Pin // 11th International LS- DYNA Users Conference, 2010, Detroit. – P. 6-1 – 6-4. 54. Coupling LES, radiation and structure in gas turbine simulations / J. Amaya, E. Collado, B. Cuenot at all // Center for Turbulence Research. Proceedings of the Summer Program, 2010. – Toulouse, 2010. – 10 p. Национальный аэрокосмический Получено: 26.02.14, университет им. Н.Е. Жуковского в окончательном варианте 03.12.14 «Харьковский авиационный институт», Харьков http://www.dynalook.com/international-conf-2008 http://www.dynalook.com/european-conf-2005/Leblanc.pdf http://www.dynalook.com/european-conf-2005/Leblanc.pdf http://www.dynalook.com/international-conf-2008 http://www.dynalook.com/international-conf-2008 http://www.dynalook.com/international-conf-2008
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88504
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1561-9184
language	Russian
last_indexed	2025-12-02T02:02:03Z
publishDate	2014
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
record_format	dspace
spelling	Нарыжный, А.Г. Павленко, В.Н. 2015-11-16T10:19:17Z 2015-11-16T10:19:17Z 2014 Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники / А.Г. Нарыжный, В.Н. Павленко // Техническая механика. — 2014. — № 4. — С. 53-64. — Бібліогр.: 54 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88504 (629.7.015.4+629.78):519.6 Представлен обзор литературы по применению компьютерного моделирования механических процессов в системах и агрегатах изделий аэрокосмической техники (АКТ). Отмечена возрастающая структурная сложность объектов, для которых используется моделирование, междисциплинарный характер процессов, а также сложный характер контактного взаимодействия и значительная величина деформаций и перемещений элементов. Для моделирования используются различные методы дискретизации по пространству, причем часто в рамках единой модели. Моделирование рассматривается как конкурент или дополнение к экспериментальному методу исследования сложных систем АКТ. Представлено огляд літератури стосовно застосування комп'ютерного моделювання механічних процесів в системах і агрегатах виробів аерокосмічної техніки (АКТ). Відзначена зростаюча структурна складність об'єктів, для яких використовується моделювання, міждисциплінарний характер процесів, а також складний характер контактної взаємодії та значна величина деформацій і переміщень елементів. Для моделювання використовуються різні методи дискретизації за простором, причому часто в рамках єдиної моделі. Моделювання розглядається як конкурент або доповнення до експериментального методу дослідження складних систем АКТ. The literature on the simulation of mechanical processes in systems and units of aerospace engineering products is reviewed. The increasing structural complexity of the simulated objects, the interdisciplinary nature of the processes as well as the complex nature of the contact interaction and significant deformations and element displacements are highlighted. Various methods of space discretization are often used for the simulation with a single model. The simulation is considered as a competitor or a supplement to the experimental methods for studying complex systems of aerospace engineering. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники Article published earlier
spellingShingle	Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники Нарыжный, А.Г. Павленко, В.Н.
title	Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники
title_full	Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники
title_fullStr	Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники
title_full_unstemmed	Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники
title_short	Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники
title_sort	моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88504
work_keys_str_mv	AT naryžnyiag modelirovaniemehaničeskihprocessovvsistemahiagregatahizdeliikosmičeskoitehniki AT pavlenkovn modelirovaniemehaničeskihprocessovvsistemahiagregatahizdeliikosmičeskoitehniki

Моделирование механических процессов в системах и агрегатах изделий космической техники

Institution

Similar Items