Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Испытание летательных аппаратов и их систем

Диссертационная работа:

Денисов Олег Валерьевич. Разработка методик тепловых испытаний элементов композитных стержневых космических конструкций : диссертация ... кандидата технических наук : 05.07.07 / Денисов Олег Валерьевич; [Место защиты: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана].- Москва, 2009.- 117 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/2850

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ СТЕРЖНЕВЫХ

КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 11

  1. Типовые и перспективные стержневые космические конструкции и особенности их тепловых режимов 11

  2. Материалы стержневых космических конструкций 16

  3. Методы математического моделирования температурного состояния стержневых космических конструкций 18

  4. Экспериментальные средства воспроизведения условий работы стержневых космических конструкций 24

  5. Современные подходы к идентификации параметров теплопереноса в космических конструкциях 28

1.6. Формулировка цели и задач диссертационной работы 32

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ ТЕПЛОВЫХ

ИСПЫТАНИЙ СТЕРЖНЕВЫХ КОСМИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ 34

  1. Принципы построения системы расчетных схем теплообмена стержневых космических конструкций 34

  2. Модели одиночного полого стержня 37

  3. Модель системы стержней 42

  4. Теоретические исследования теплообмена одиночных стержней 44

  5. Теоретические исследования теплообмена ферменных

конструкций 54

Выводы ко второй главе 61

ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ

НАТУРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ КОСМИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ 63

Стр.

  1. Замысел проведения экспериментов с элементами натурных стержневых космических конструкций 63

  2. Постановка и результаты экспериментов на установке контактного нагрева 65

  3. Постановка и результаты экспериментов на гелиоустановке «ИГУС» и в вакуумной камере «СШВ» 71

  4. Оценка погрешностей эксперимента на установке с контактным электрическим нагревателем '. 80

  5. Экспериментальное определение оптических свойств поверхности элементов композитных стержневых космических

конструкций 92

Выводы к третьей главе 97

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 99

ЛИТЕРАТУРА 101

Введение к работе:

Актуальность работы. При создании перспективных стержневых космических конструкций (КК) из композиционных материалов (КМ) трудно переоценить роль тепловых испытаний. Они служат для проверки результатов теоретических расчетов температурного состояния и способности конструкции выполнять свое назначение. Однако, нередко результаты теории и эксперимента не совпадают. Одно из слабых мест теоретических расчетов – неопределенность данных по теплофизическим свойствам (ТФС) КМ. Восполнять недостатки расчетов с помощью увеличения объемов испытаний нецелесообразно. Причин несколько: высокая сложность и низкая производительность испытаний крупногабаритных натурных конструкций, невозможность испытания масштабно уменьшенных моделей, теряющих представительные качества КМ. Компенсировать недостатки теории и эксперимента за счет увеличения запасов прочности и жесткости затруднительно в силу известных весовых ограничений.

В стержневых композитных КК для обеспечения стабильности формы и размеров в течение эксплуатации должны быть ограничены уровни и перепады температуры, влияющие на температурные деформации. При заданных тепловых нагрузках и размерах КК ее температурное состояние зависит от сочетания ТФС и оптических свойств (ОС) КМ.

Ввиду большого разнообразия и уникальности каждой партии стержней из КМ (различные типы наполнителя и связующего, количество слоев и углы укладки волокон, режимы термообработки) почерпнуть из справочной литературы данные по их ТФС практически невозможно. В традиционных методиках определения ТФС материалов используются образцы в форме круглой или прямоугольной пластин. Приготовление таких образцов из натурной стержневой конструкции затруднительно и может привести к нарушению структуры материала. Продолжительность экспериментов лежит в интервале от нескольких часов до нескольких десятков часов, а результаты испытаний могут иметь значительную погрешность. Очевидно, что назрела необходимость применения более совершенных программно-аппаратных средств для получения данных по ТФС КМ.

Необходима разработка расчетно-экспериментальных методик определения коэффициентов теплопроводности КМ в продольном и окружном направлениях стержней непосредственно на элементах натурных стержневых КК. Новые расчетно-экспериментальные методики могут опираться на существующую материальную базу – термовакуумные камеры, гелиоустановки, установки контактного нагрева, но при этом они должны быть построены на современном математическом аппарате численных методов прогнозирования температурного состояния конструкций. Регистрация экспериментальных данных должна проводиться с помощью быстродействующих и высокоточных автоматизированных средств, а обработка – с привлечением методов решения обратных задач теплопроводности (ОЗТ) и определения методических погрешностей измерения температуры. Методики должны предусматривать определение ОС поверхностей стержней на стандартных оптических приборах.

Цель работы. Повышение точности и производительности тепловых испытаний стержневых композитных космических конструкций на основе применения современных методов и средств математического, физического моделирования и идентификации тепловых процессов.

Тема диссертации отвечала п. 2.6.1 и 2.6.2 Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления, утвержденной РАН на 1995-1999 гг., где значились вопросы разработки теоретических положений, методологии экспериментально-теоретических исследований теплофизических процессов и их комплексной диагностики. Вопросы, рассмотренные в диссертации, были включены в тематические планы важнейших НИР, проведенных в МГТУ им. Н.Э. Баумана по техническому заданию Федерального космического агентства на 2004–2005 гг. в рамках раздела 1 подпрограммы 10, ОКР «Материал» Федеральной космической программы РФ на 2001–2005 гг. на основании контрактов № 810-Т378/04 от 02.03.2004 и № 810-Т378/05 от 18.02.2005. Отдельные результаты получены при финансовой поддержке по гранту РФФИ № 08-08-01065а.

Новизна диссертации.

1. Впервые разработаны методики тепловых испытаний элементов натурных КК на гелиоустановке «ИГУС» ИПМ им. И.Н. Францевича НАН Украины в п. Кацивели в Крыму, на установках контактного нагрева на воздухе во ФГУП ОНПП «Технология» и вакууме в ОАО НПО «Молния», а также в вакуумной камере «СШВ» с электрическими источниками теплового излучения в ОАО ВПК «НПО машиностроения» и выделены области рационального применения установок. Методики позволяют восполнять недостающие данные о коэффициентах теплопроводности КМ с использованием результатов обработки экспериментальных данных на основе решения ОЗТ.

2. При обосновании условий испытаний применена созданная автором система тепловых моделей для численного решения задач теплообмена одиночных и соединенных стержней. Выбор типов и схем размещения датчиков температуры, режимов нагрева был осуществлен на основе исследования закономерностей нестационарных процессов совместного переноса энергии теплопроводностью и излучением в полых стержнях из КМ для условий космического полета и наземных испытаний. Установлено:

а) При частичном затенении элемента стержневой КК сильное влияние на градиенты температуры и ширину зоны «свет-тень» оказывают коэффициенты теплопроводности в плоскости армирования КМ, совпадающей с продольной осью стержня. В частности, для условий полета по геостационарной орбите максимальные градиенты температур, возникающие вдоль оси полого углепластикового стержня с профилем квадратного сечения со сторонами 15х15 мм2 и толщиной стенки = 0,6 мм, возрастают от 2,14 до 5,23 К/мм при изменении величины коэффициента теплопроводности в продольном направлении стержня lz от 4,5 до 0,65 Вт/(мК). Для типичных углеродсодержащих полимерных КМ ширина зоны термометрирования на освещенном участке стержня не превышает 100 мм, а на теневом – 300 мм. Для достижения необходимой точности в пределах каждого измерительного участка рекомендуется располагать от 5 до 10 контактных датчиков температуры с шагом не более 5 мм.

в) Влияние внутренней радиации на температурное состояние полых стержней уменьшается при увеличении толщины стенки d и коэффициента теплопроводности в окружном направлении lj. Например, при одностороннем нагреве стержня круглого сечения радиусом 0,04 м, с d = 2,5 мм, lj = 10 Вт/(мК) потоком излучения плотностью 1400 Вт/м2 температурный перепад в окружном направлении Т в стационарном состоянии, рассчитанный по модели «чистой» теплопроводности, составляет 42,1 К. При расчете по модели радиационно-кондуктивного теплообмена значение Т ниже на 6,3 К. Поэтому определенные с помощью решения ОЗТ зависимости эффективных

lj (Т) материала тонкостенных стержней будут отличаться не более чем на 10% от «истинных» значений коэффициента теплопроводности КМ.

г) Точность измерения температуры контактными датчиками зависит от тепловой инерции термопары и образца. При близких значениях величин С d материалов термопары и образца (С – объемная теплоемкость) методическая погрешность измерения температуры (МПИТ) при испытаниях углепластикового стержня на установке контактного нагрева не превышает 1,2 К в диапазоне 293…423 К.

3. Получены новые данные о температурных зависимостях коэффициентов теплопроводности КМ в продольном и окружном направлениях и об ОС поверхностей для двух типов стержней из углепластика, предназначенных для использования в силовых космических конструкциях.

На защиту выносятся названные выше методики и перечисленные новые научные результаты.

Практическую ценность имеют следующие результаты:

– Вычислительные программы, предназначенные для обоснования условий испытаний стержневых элементов и конструкций, построения планов измерения температуры экспериментальных образцов. Созданные программы были использованы также для оценки теплового режима элементов конструкции тяжелой связной платформы «Энергия», стержневой фермы «СОФОРА» орбитального комплекса «Мир».

– Расчетно-экспериментальные методики определения коэффициентов теплопроводности материала стержней, опирающиеся на существующую материальную базу и современные средства регистрации и обработки экспериментальных данных.

Указанные результаты использованы в НИР и ОКР ФГУП ОНПП «Технология», ОАО НПО «Молния» и ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина и в учебном процессе в МГТУ имени Н.Э. Баумана, что отражено в соответствующих актах о внедрении.

Достоверность результатов исследования гарантируется корректностью выбора исходных допущений и ограничений при постановке задач, адекватностью применяемых моделей исследуемым процессам и строгостью использования современного математического аппарата, а также сравнением с результатами других авторов.

Личный вклад автора состоит в разработке методик тепловых испытаний, анализе и обобщении полученных результатов. Все основные результаты и выводы получены лично автором.

Апробация основных результатов диссертации проводилась на научных конференциях и семинарах, в том числе: «Крупногабаритные космические конструкции» (Севастополь, 1990, Новгород, 1993), Молодежной научно-технической конференции «Космонавтика – XXI век» (Москва – Калининград, 1991), семинаре «Математическое моделирование и идентификация параметров процессов переноса в неоднородных средах» (Рига, 1992), 1-й международной конференции «Обратные задачи в технике: теория и практика» (Пам Коуст, США, 1993), 5-м конгрессе по использованию концентрированной солнечной энергии (Москва, 1994), 2-й и 3-й международных конференциях «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (Москва, 2003, 2007), 5-й международной конференции «Обратные задачи: проектирование, идентификация и контроль» (Россия, 2007), 4-м международном научном симпозиуме «Передовые технические системы и технологии» (Севастополь, 2008), 30-м семинаре Европейского космического агентства по использованию антенн для наблюдения Земли, науки, телекоммуникаций и навигации (Нордвейк, Нидерланды, 2008), на научных семинарах в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ВИАМ, ФГУП ОНПП «Технология» (1994–2009).

По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов и приложения, содержит 117 страниц текста, 54 рисунка, 11 таблиц. Список литературы включает 107 работ.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net