2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Расчетно-экспериментальное моделирование работы вытеснительной системы топливного бака в среде MSC.MARC А.Н. Шляпников, Л.С. Демидов, А.А. Булаев, С.Э. Зайцев ФГУП НПО машиностроения, г.Реутов, Россия

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Моделирование работы вытеснительной мембранной системы топливного бака двигательной установки космического аппарата в среде MSC.MARC Бак 1 Бак 2 Бак 3

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Цель расчетных исследований Особенности: значительный срок эксплуатации бака в составе КА на орбите (более 5 лет) существенная дороговизна экспериментального пути проектировании топливного бака (на отработку бака-прототипа потребовалось до 40 опытных образцов !!!) Цель расчетных исследований: Сокращение срока проектирования бака ДУ КА Минимизация стендовых образцов и объема испытаний Технологичность Низкая стоимость

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Задачи Основной задачей является расчетное определение (проектирование) начальных конструктивных параметров вытеснительной мембранной системы топливного бака ДУ, удовлетворяющего требуемым условиям эксплуатации Бак-прототип

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Следы пластической деформации диафрагмы по контуру поверхности полусфера+фланец 1 – фланец, 2 – сварной шов, 3 – диафрагма, 4 – трещина, 5 – темный ореол по длине трещины Фрагменты 1,2,3 -Зона расположения видимой части трещины. Фрагмент 4 - участок, прилегающий к зоне с трещиной. Образец 5,5а - механические испытания основного материала, контроль хим.состава материала диафрагмы. Образец 6 - механические испытания сварного соединения диафрагмы+фланец. Обр. 7,8 - механические испытания сварного соединения диафрагмы+фланец. Образец 9 - исследование макро- микроструктуры основного материала и сварного соединения из неразрушенной зоны Сечения а,б,в,г - исследование излома, макро- микроструктуры основного материала и сварного соединения зоны разрушения Внешний вид видимого конца трещины, х2 Результаты экспериментальной отработки бака-прототипа

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация 1. – собственно излом 2. – долом Внешний вид поверхности излома диафрагмы в центральной части трещины, х6 Результаты экспериментальной отработки бака-прототипа

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 1. Результаты экспериментальной отработки бака-прототипа

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Расчётное проектирования топливного бака ДУ КА Анализ различных Вариантов исполнения бака Расчётное определение геометрических параметров мембраны и анализ прочности мембран посредством моделирования процесса вытеснения топлива мембраной : Подбор параметров исходной формы рассматриваемых мембран бака с резервуаром высокого давления для вытеснения (Расчёт перепада давления мембраны) Расчёт напряжённо-деформированного состояния мембраны топливного бака с резервуаром высокого давления для вытеснения

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Методика. Особенности расчёта Моделирование процесса вытеснения топлива мембраной – высоконелинейная, сложная и ресурсоёмкая задача. В ходе расчёта учитывается геометрическая и физическая нелинейность. Геометрическая нелинейность : 1. Изменение жёсткости всей системы в зависимости от характера деформирования. 2. Изменение жёсткости всей системы в зависимости от преднагруженного состояния. 3. В процессе деформирования система проходит различные состояния устойчивости. 4. Величины перемещений не пропорциональны величине нагружения. 5. Система не возвращается в исходное состояние после снятия нагружения. 6. Нагружение имеет характер "следящей" нагрузки. 7. Однонаправленная жёсткость (контактирующие поверхности). Физическая нелинейность : 1. Нелинейная зависимость напряжений в зависимости от деформации. 2. Конечная величина напряжений. 3. Наличие остаточных деформаций после снятия нагружения. 4. Модель материала со свойством упрочнения.

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Результаты расчётного моделирования бака-прототипа по исходным данным эксперимента Без упрочнения Изотропное упрочнение Комбинированное упрочнение Подбор модели пластичности материала

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 1 Результаты расчётов

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 1 Расчёт и эксперимент

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Топливный бак с резервуаром высокого давления для вытеснения Резервуар высокого давления Область вытесняемой жидкости Мембрана I II II I IVIV V R H Варьируемые параметры Бак 2

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация КЭ-модель мембраны для расчёта напряжённо-деформированного состояния Детализированная область мембраны с ожидаемым пластичным деформированием в процессе работы Расчёт модели в постановке геометрической и физической нелинейностях на платформе Athlon XP с 1 CPU занял 95 часов. Проанализировано 556 равновесных состояний мембраны в процессе своего движения Бак 2

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 2 Результаты расчётов Деформированные формы мембран в процессе движения

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 2 Результаты расчётов Деформированные формы мембран в процессе движения

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 2 Максимальные эквивалентные деформации

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 2 Максимальные эквивалентные напряжения

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Моделирование процесса вытеснения топлива топливного бака с двойной мембраной Бак 3 КЭ-модель мембраны для расчёта напряжённо-деформированного состояния Расчёт модели в постановке геометрической и физической нелинейностях на платформе Athlon XP с 1 CPU занял 62 часа. Проанализировано 370 равновесных состояний мембраны в процессе своего движения.

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Деформированные формы мембран в процессе движения Бак 3 Результаты расчётов

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 3 Результаты расчётов

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 3 Максимальные эквивалентные деформации

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Бак 3 Максимальные эквивалентные напряжения

2006 IX конференция пользователей MSC | 25 – 26 Октября, 2006 | Москва, Российская Федерация Выводы 1.По имеющимся экспериментальным результатам отработки серии опытных образцов бака проведено численное моделирование топливного бака с мембранной вытеснительной системой уже используемой на практике конструкции. 2. Достигнуто хорошее совпадение результатов расчета и эксперимента, что позволяет утверждать о пригодности методического аппарата, реализованного в MSC/MARC, для процесса расчетного проектирования перспективного бака с вытеснительной мембранной системой. 3.Рассмотрены 3 варианта конструктивного исполнения топливного бака с вытеснительной мембранной системой. Проведены численные параметрические исследования влияния конструктивных параметров мембран на ее работоспособность. 4.По результатам численного моделирования и на основании принятых критериев прочности и пластичности к дальнейшей конструкторской проработке, оптимизации конструктивных параметров и выпуску КД предложен вариант вытеснительной мембранной системы с двойной мембраной. 5.По результатам расчётных исследований для этапа экспериментальной отработки заказано всего 2 опытных образца баков