<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">donstu</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="epub">2687-1653</issn><publisher><publisher-name>Don State Technical University</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.23947/2687-1653-2022-22-1-30-41</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">donstu-1832</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>МЕХАНИКА</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>MECHANICS</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Аналитическое решение приближенных уравнений движения ракеты-носителя под действием порыва ветра для расчета динамического нагружения корпуса</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Analytical solution to approximate equations of the launch vehicle motion under the gust action for the dynamic loading calculation</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-9580-6853</contrib-id><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Малыхина</surname><given-names>О. И.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Malykhina</surname><given-names>O. I.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>Малыхина Ольга Игоревна, инженер-конструктор первой категории</p><p>443009, г. Самара, ул. Земеца, 18</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Olga I. Malykhina</p><p>Samara</p></bio><email xlink:type="simple">maloliya@ya.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru">Ракетно-космический центр «Прогресс»<country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en">Space Rocket Centre Progress JSC<country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2022</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>30</day><month>03</month><year>2022</year></pub-date><volume>22</volume><issue>1</issue><fpage>30</fpage><lpage>41</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Малыхина О.И., 2022</copyright-statement><copyright-year>2022</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Малыхина О.И.</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Malykhina O.I.</copyright-holder><license license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/1832">https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/1832</self-uri><abstract><sec><title>Введение</title><p>Введение. Рассматриваются ракета-носитель (РН) в полете и динамические составляющие нагрузок от воздействия порыва ветра трапецеидального профиля. Предлагается определить динамические составляющие силовых факторов с помощью аналитических решений для ускорений точек конструкции. Цель работы – создание методики выбора продолжительности нормативного порыва, при воздействии которого достигаются максимальные нагрузки в сечениях корпуса ракеты-носителя.</p></sec><sec><title>Материалы и методы</title><p>Материалы и методы. Ракета-носитель представляется в виде неравномерной балки. Описание ее колебаний приводится к системе независимых обыкновенных дифференциальных уравнений, определяющих движение эквивалентной системы осцилляторов. Уравнение колебаний осцилляторов под действием трапецеидальной импульсной нагрузки решается методом наложений и сводится к вычислению интеграла Дюамеля. Предлагается получать параметры эквивалентной системы осцилляторов по результатам расчета динамических характеристик для конечноэлементной модели РН в программе Nastran.</p></sec><sec><title>Результаты исследования</title><p>Результаты исследования. Приведены аналитические соотношения для ускорений точек корпуса РН под воздействием порыва ветра трапецеидального профиля. Для балочной модели проведены тестовые расчеты ускорений по методике, предложенной в настоящей статье. Эти данные сравниваются с результатами конечноэлементного моделирования. С помощью аналитических решений построены зависимости, определяющие характер изменения величины изгибающего момента для различных сечений ракеты-носителя при варьировании продолжительности порыва ветра.</p></sec><sec><title>Обсуждение и заключения</title><p>Обсуждение и заключения. Благодаря представленной методике можно на примере ракеты-носителя строить эквивалентную динамическую модель систем с большим числом степеней свободы и получать аналитические решения для ускорений точек механической системы при трапецеидальном внешнем воздействии. Данные решения применимы для исследования динамических нагрузок. Итоги такого анализа позволяют выбрать продолжительность порыва ветра, при которой достигаются максимальные нагрузки в сечениях корпуса РН. Вычисления на базе аналитических решений весьма экономичны с точки зрения затраченного времени. Их можно использовать в проектных расчетах для предварительной оценки нагружения.</p></sec></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><sec><title>Introduction</title><p>Introduction. The launch vehicle (LV) in flight and the dynamic components of loads from the impact of a trapezoidal wind gust are considered. It is proposed to determine the dynamic components of the force factors using analytical solutions for the structure points accelerations. The work objective is to create a technique for selecting the duration of the standard gust, under the influence of which maximum loads are provided in the sections of the LV structure.</p></sec><sec><title>Materials and Methods</title><p>Materials and Methods. The launch vehicle is presented as an uneven beam. The description of its vibrations is reduced to a system of independent ordinary differential equations that determine the motion of an equivalent system of oscillators. The equation of oscillator vibrations under the action of a trapezoidal pulse load is solved by the overlay method, and it is reduced to the calculation of the Duhamel integral. It is proposed to get the parameters of an equivalent system of oscillators based on the results of the calculation of dynamic characteristics for a finite element LV model in the Nastran program.</p></sec><sec><title>Results</title><p>Results. Analytical relations for the LV structure point accelerations under the action of a trapezoidal wind gust are given. For the beam model, test calculations of accelerations were carried out according to the technique proposed in this paper. These data are compared to the results of finite element modeling. With the help of analytical solutions, dependences are constructed that determine the nature of the change in the magnitude of the bending moment for different sections of the launch vehicle when the duration of the wind gust varies.</p><p>Discussion and Conclusions. The presented technique provides building an equivalent dynamic model of systems with a large number of degrees of freedom on the example of a LV and obtaining analytical solutions for accelerations of points of a mechanical system under trapezoidal external action. These solutions are applicable for the study of dynamic loads. The analysis results enable to select the duration of the wind gust, at which maximum loads are reached in the sections of the LV structure. Calculations based on the analytical solutions are very economical in terms of time spent. They can be used in design calculations for preliminary assessment of loading.</p></sec></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>ракета-носитель</kwd><kwd>балочная модель</kwd><kwd>осциллятор</kwd><kwd>корпусные нагрузки</kwd><kwd>интеграл Дюамеля</kwd><kwd>динамические нагрузки</kwd><kwd>порыв ветра</kwd><kwd>аналитические решения</kwd><kwd>дифференциальное уравнение</kwd><kwd>колебания</kwd><kwd>изгибающий момент</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>launch vehicle</kwd><kwd>beam model</kwd><kwd>oscillator</kwd><kwd>structure loads</kwd><kwd>Duhamel integral</kwd><kwd>dynamic loads</kwd><kwd>gust</kwd><kwd>analytical solutions</kwd><kwd>differential equation</kwd><kwd>vibrations</kwd><kwd>bending moment</kwd></kwd-group></article-meta></front><body><p>Введение. При эксплуатации ракеты-носителя (РН) в элементах ее конструкции возникают нагрузки. Речь идет о продольных и перерезывающих силах, изгибающих и крутящих моментах. Данные об указанных силовых факторах задействуют для прочностного анализа при проектировании новых изделий, экспериментальной отработке конструкции [<xref ref-type="bibr" rid="cit1">1</xref>] и адаптации средств выведения под конкретный пуск [<xref ref-type="bibr" rid="cit2">2</xref>]. Нагрузки подразделяются на квазистатические и динамические. Квазистатические, возникающие в полете, вычисляются из условия динамического равновесия РН как твердого тела с учетом допустимых параметров траектории выведения.</p><p>Для расчета динамических нагрузок обычно применяются обобщенные балочные модели. Такие нагрузки определяются по результатам решения уравнения движения упругой РН, которое в общем случае представляет собой уравнение в частных производных. Методы, основанные на использовании разложений решений по тонам собственных колебаний конструкции, способны обеспечить высокую скорость вычисления в сочетании с достаточной точностью результатов [<xref ref-type="bibr" rid="cit3">3</xref>]. Как показано в [<xref ref-type="bibr" rid="cit4">4</xref>], с помощью метода разложения по формам собственных колебаний можно перейти к системе независимых обыкновенных дифференциальных уравнений. Они описывают:</p><p>Переход к независимым уравнениям, описывающим упругие колебания РН, означает, что будут учитываться распределенные параметры осцилляторов, каждый из которых представляет собой систему с одной степенью свободы. Движение такого осциллятора можно рассматривать независимо от других и для каждого из них можно получить решение с помощью известных методов теории колебаний.</p><p>С целью расчета нагрузок в полете рассматривается не вся траектория выведения, а только некоторые ее точки, так называемые случаи нагружения, характеризующиеся экстремальным значением отдельных параметров, влияющих на нагружение, либо максимальным значением нагрузок на отдельные элементы конструкции. Один из наиболее важных случаев нагружения — полет РН в плотных слоях атмосферы [1, 5]. Влияние неспокойной атмосферы на нагружение РН можно определить статистическими методами [6, 7] либо в рамках консервативного подхода, когда учитываются максимально возможные (с некоторым уровнем вероятности) характеристики ветра. В данной статье рассматривается второй подход. В качестве внешнего динамического воздействия принимается однократный нормативный порыв ветра. Профиль нормативного порыва, характеризующий изменение скорости ветра с течением времени, может быть задан в трапецеидальном [<xref ref-type="bibr" rid="cit8">8</xref>], косинусоидальном или синусоидальном виде [<xref ref-type="bibr" rid="cit9">9</xref>]. В данной статье рассмотрим движение ракеты-носителя под действием трапецеидального порыва. Продолжительность нормативного порыва обычно выбирается сопоставимой с периодом низшего поперечного тона колебаний РН1. При этом часто выдвигаются требования ее варьирования для достижения максимальных усилий в сечениях РН [8, 10]. Трудоемкость расчетов с использованием стандартных программ конечноэлементного (КЭ) анализа обусловлена:</p><p>Цель настоящей статьи — разработка методики выбора продолжительности действия нормативного порыва с использованием аналитических решений, полученных для упрощенной динамической модели РН, представленной в виде эквивалентной системы осцилляторов.</p><p>Полуаналитический подход с использованием интеграла Дюамеля был успешно применен в [<xref ref-type="bibr" rid="cit11">11</xref>] для проведения гидроупругого анализа судов. В [<xref ref-type="bibr" rid="cit12">12</xref>] и ряде других работ интеграл Дюамеля используется в рамках решения задачи нагружения мостов подвижными нагрузками. В настоящей статье интеграл Дюамеля задействовали для аналитических решений реакции ракеты-носителя на кратковременное воздействие порыва ветра в полете.</p><p>Материалы и методы. На этапах эскизного проектирования целесообразно использовать плоские расчетные схемы для балочных моделей. При простоте и скорости решения они позволяют определить параметры движения и внутренние усилия (с приемлемой для этого этапа проектирования точностью) [<xref ref-type="bibr" rid="cit13">13</xref>]. Представим РН в виде упругой балки с переменными по длине массой и жесткостью. Примем обычные для сопротивления материалов допущения, в том числе гипотезу о малости упругих деформаций. Для определения внутренних силовых факторов в сечении РН используем метод ускорений (перегрузок) [1, 4], который можно интерпретировать как метод сечений, адаптированный для динамического расчета. В этом случае внутренние усилия находят из условий статического равновесия мысленно отсеченных частей конструкции под действием внешних распределенных нагрузок, дополненных силами инерции Д’Аламбера, и искомых внутренних усилий. Квазистатические и динамические значения силовых факторов определяются отдельно на основе предварительно вычисленных ускорений, а затем суммируются [<xref ref-type="bibr" rid="cit4">4</xref>].</p><p>В данной работе рассматривается вопрос определения динамического нагружения РН в поперечном направлении под действием порыва ветра, скорость которого направлена перпендикулярно продольной оси РН. Принимается, что нагружение в продольном направлении можно рассчитать независимо. В данной работе оно не рассматривается.</p><p>С целью определения динамических ускорений РН представляется в виде свободной упругой балки. Ее движение изучается в окрестности момента времени, соответствующего рассматриваемому случаю нагружения, и описывается в отклонениях от состояния динамического равновесия, в котором находилась РН до ветрового порыва, двигаясь по номинальной (невозмущенной) траектории. При этом как бы «замораживаются», т. е. принимаются постоянными и равными характеристикам рассматриваемой точки номинальной траектории такие параметры, как масса и момент инерции РН, тяга двигателя, угол наклона траектории. Возмущенное движение упругой РН исследуется в неподвижной системе координат, связанной с положением, которое РН занимала на момент начала расчета. Возмущенное движение будет представлять собой совокупность плоскопараллельного движения РН как твердого тела в плоскости, в которой приложена динамическая нагрузка, и упругих движений корпуса. Реакцию системы управления не учитываем, т. е. для автомата стабилизации предполагаем большое время запаздывания по сравнению со временем приложения динамической нагрузки. Вообще, под воздействием порыва ветра вместе с упругими колебаниями корпус РН начинает движение как твердое тело. Поперечная составляющая аэродинамической силы, которая при малом угле атаки считается ему пропорциональной, меняет значение за счет смещения корпуса в направлении действия порыва ветра и поворота относительно вектора набегающего потока. Проекция силы тяжести на поперечную ось РН также меняется. Для правильного учета указанных изменений уравнения движения РН необходимо интегрировать с уравнениями, описывающими логику работы автомата стабилизации, что невозможно на ранних этапах проектирования. Учитывая к тому же значительную массу и момент инерции РН, будем считать малыми:</p><p>Это позволяет не учитывать влияние указанных выше изменений. Приращение угла атаки (а следовательно, и поперечной составляющей аэродинамической силы) считается зависящим только от величины скорости порыва ветра, заданной в виде функции времени. Таким образом, с учетом принятых допущений аэродинамическая нагрузка в поперечном направлении представляет собой распределенную по длине балки нагрузку с коэффициентом пропорциональности, зависящим от времени. Закон распределения аэродинамической нагрузки по длине РН определяется экспериментально и считается заранее известным. Закон изменения коэффициента пропорциональности (угла атаки) от времени определяется выбором профиля нормативного порыва ветра.</p><p>Движение РН, смоделированной в виде упругой балки, можно описать, используя известное уравнение вынужденных поперечных колебаний балки, записанное с учетом гипотезы Фойгта:</p><p>(1)</p><p>где 𝑚(𝑥) — погонная масса; 𝐵(𝑥) — изгибная жесткость; 𝑞𝑞(𝑥𝑥,𝑡𝑡) — распределенная внешняя нагрузка; ℎ — коэффициент трения.</p><p>Данное уравнение должно быть дополнено граничным условием: внутренние усилия в начальном и конечном сечении равны нулю. Значит:</p><p>(2)</p><p>где 𝐿 — длина РН.</p><p>В качестве внешней распределенной нагрузки в данной работе принимается аэродинамическая сила, которую можно представить в виде произведения функций:</p><p>𝑞(𝑥,𝑡) = 𝑅(𝑡)𝑌𝑎(𝑥), (3)</p><p>где 𝑅(𝑡) — функция, определяющая временную изменчивость аэродинамической силы и изменяющаяся по трапецеидальному закону в соответствии с принятой в настоящей работе моделью порыва ветра; 𝑌𝑎(𝑥) — функция распределения аэродинамической силы по длине РН.</p><p>Рассмотрим свободные колебания РН без учета сил трения (при 𝑞(𝑥,𝑡) = 0, ℎ = 0). Подставим метод разделения переменных 𝑦(𝑥,𝑡) = 𝑓(𝑥) ∙ 𝑞(𝑡). В этом случае от уравнения (1) с граничными условиями (2) можно прийти к обыкновенному дифференциальному уравнению</p><p> (4)</p><p>с краевыми условиями:</p><p> (5)</p><p>Решение (4) с условиями (5) представляет собой классическую задачу Штурма — Лиувилля. Решая ее, можно найти набор собственных форм 𝑓𝑗(𝑥) и собственных частот 𝑝𝑗 рассматриваемой балки (𝑗 = 1, 2, … ). Известно2, что некоторые решения системы (4) соответствуют нулевым собственным частотам. Формы, соответствующие нулевым собственным частотам, определяют поступательное движение РН как твердого тела вместе с центром масс и вращение вокруг центра масс: 𝑓−1 = 1, 𝑓0 = 𝑥 − 𝑥𝐶, где 𝑥𝐶 — координата центра масс РН.</p><p>Следует отметить, что массовые и жесткостные характеристики РН чаще всего имеют кусочнопостоянный характер распределения. В этом случае уравнения вида (1) и (4) должны быть записаны отдельно для каждого однородного балочного участка с граничными условиями на стыках участков, как при выводе соотношений метода начальных параметров [1, 14]. В данной работе указанная запись опущена, т. к. расчет динамических характеристик (модальный анализ) конструкции проводится численно, с использованием метода конечных элементов.</p><p>Представим вынужденные колебания упругой балки, моделирующей корпус РН, в виде разложения по формам собственных колебаний. Примем, что ось жесткости балки проходит через ее центр масс. Для перемещения точек оси РН запишем:</p><p> (6)</p><p>где 𝑦𝐶(𝑡) — перемещение центра масс балки; ϑ(𝑡) — угол поворота оси недеформированной балки; 𝑓𝑗 — форма собственных колебаний балки, соответствующая тону с номером 𝑗; 𝑞𝑗(𝑡) — обобщенная координата, соответствующая тону с номером 𝑗; 𝑁 — число учитываемых упругих тонов.</p><p>После подстановки (6) в (1) и применения процедуры Бубнова — Галеркина можно прийти к системеобыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами:</p><p>Здесь 𝑚 — масса РН; 𝐼 — момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс РН перпендикулярно плоскости вращения; 𝑚𝑚𝑗𝑗 — приведенная (обобщенная) масса для -го тона колебаний и определяемая формулой: </p><p>Обобщенные силы в выражении (7) с учетом (3) определяются следующим образом:</p><p>(8-10)</p><p>Здесь 𝑄𝑎 — максимальное значение главного вектора поперечной аэродинамической нагрузки; 𝑀𝑎 — максимальное значение главного момента поперечной аэродинамической нагрузки, приведенного к центру масс РН; 𝑄0𝑗 — максимальное значение обобщенной силы, соответствующей обобщенной координате 𝑞𝑗.</p><p>Первые два уравнения в (7) определяют закон изменения ускорений точек РН в процессе поступательного и вращательного движения РН как твердого тела. Последнее уравнение в (7) определяет закон движения эквивалентной системы осцилляторов.</p><p>Рассмотрим движение одного осциллятора под действием трапецеидальной внешней нагрузки, которая:</p><p>Для удобства опустим индексы, характеризующие номер тона. Тогда дифференциальное уравнение движения осциллятора с учетом (10) перепишем в виде:</p><p>(11)</p><p>где 𝑚 — масса осциллятора; 𝑝 — угловая частота собственных колебаний, выраженная в радианах в секунду; n — коэффициент затухания (определяет демпфирующие осциллятора); 𝑄(𝑡) = 𝑄0𝑅(𝑡) — закон изменения внешней нагрузки.</p><p>Представим функцию 𝑅𝑅(𝑡𝑡) как совокупность четырех линейных функций:</p><p>Соответственно, внешняя нагрузка 𝑄(𝑡) — это совокупность четырех линейных нагрузок 𝑄𝑖(𝑡) = 𝑄0𝑅𝑖(𝑡), (𝑖 = 1, 2, 3, 4). Нагрузка 𝑄1(𝑡) прикладывается с момента 𝑡𝑡 = 0; 𝑄2(𝑡) — с момента 𝑡 = δ; 𝑄3(𝑡) — с момента 𝑡𝑡 = θ + δ; 𝑄4(𝑡) — с момента 𝑡 = θ + 2δ.</p><p>Для определения реакции системы на внешнее воздействие разобьем все время действия нагрузки на четыре интервала (рис. 1).</p><fig id="fig-1"><caption><p>Рис. 1. Схема внешней трапецеидальной нагрузки</p></caption><graphic xlink:href="donstu-22-1-g001.jpeg"><uri content-type="original_file">https://cdn.elpub.ru/assets/journals/donstu/2022/1/A8junl8c9SEGIX6hxKUeQwCoa7XaeRNXL0uIbCBX.jpeg</uri></graphic></fig><p>В соответствии с методом наложений3 представим в виде интеграла Дюамеля реакцию рассматриваемой линейной системы на внешнее воздействие как сумму реакций на совокупность независимо приложенных элементарных импульсов:</p><p>здесь 𝑃(𝑡 − ϑ) — смещенный временной закон изменения внешнего воздействия, а 𝑌𝑌(ϑ) характеризует реакцию системы на единичное импульсное воздействие. Реакцию механической системы 𝑞𝑙(𝑡) на линейно возрастающую нагрузку 𝑃(𝑡) = 𝑘t можно выразить через реакцию системы на единичный импульс 𝑌(ϑ) и на внезапно приложенную единичную нагрузку 𝑌1(ϑ):</p><p>Реакция на единичный импульс для механической системы с одной степенью свободы, имеющей коэффициент затухания 𝑛𝑛, будет иметь вид4:</p><p>Введем обозначение для частоты затухающих колебаний  Вычислим реакцию системы на внезапно приложенную единичную нагрузку:</p><p>Реакция на линейно возрастающую нагрузку:</p><p>(12)</p><p>Примем обозначения: ∆1= 𝑡 − δ, ∆2= ∆1 − θ, ∆3= ∆2 − δ.</p><p>Введем функцию, содержащую гармонические члены решения (12):</p><p>Обозначим 𝑞ст перемещение под действием статически приложенной к системе силы 𝑄0 = 𝑞ст𝑚𝑝2 и учтем, что 𝑘 = 𝑄0/δ. Суммарное перемещение осциллятора под действием комбинации нагрузок 𝑄𝑖(𝑡) на каждом временном участке будет суммой соответствующих решений (12). Реакция системы, описываемой уравнением (11), на внешнее воздействие трапецеидального профиля будет иметь вид:</p><p>(13)</p><p>Закон изменения ускорений осциллятора может быть получен двойным дифференцированием повремени выражения (13). Введем функцию . Дифференцируем и запишем результат с учетом номера тона колебаний:</p><p>(14)</p><p>Перепишем выражение для частоты затухающих собственных колебаний:</p><p>(15)</p><p>Для определения ускорений точек РН дважды продифференцируем (6):</p><p>(16)</p><p>Выразим ускорения обобщенных координат из первых двух уравнений системы (7) с учетом (8) и (9). Представим ускорения точек оси РН, которые она приобретает, двигаясь как твердое тело:</p><p>(17)</p><p>Кроме того, учтем закон изменения функции 𝑅(𝑡) от времени:</p><p>Получим:</p><p>(18)</p><p>Для ускорений обобщенных координат, соответствующих упругим тонам колебаний, в результате двойного дифференцирования выражения (13) с учетом (14) получим:</p><p>(19)</p><p>С учетом (16) и (17) закон изменения ускорений точек упругой оси РН под действием порыва ветра трапецеидального профиля будет иметь вид:</p><p>(20)</p><p>где 𝑎(𝑡) определяется выражением (18), 𝑞𝑗(𝑡𝑡) — выражением (19).</p><p>При исследовании упругих колебаний РН демпфирование традиционно принимается на основании данных, полученных по результатам натурных динамических испытаний и представленных в виде значений логарифмических декрементов 𝐷𝑗. Тогда коэффициент, определяющий параметр демпфирования и входящий в выражения (14) и (15), можно вычислить по формуле:</p><p>(21)</p><p>Входящее в формулу (19) изменение обобщенной координаты 𝑞𝑞𝑗𝑗 под действием статически приложенной обобщенной силы 𝑄0𝑗 определяется выражением:</p><p>(22)</p><p>Принимая во внимание (14), (15), (18), (19), (21), (22), формула (20) — это аналитическое выражение, определяющее функции изменения ускорений по времени для точек оси РН под действием внешней поперечной аэродинамической силы, изменяющейся по трапецеидальному закону с учетом влияния диссипативных сил.</p><p>Зная закон изменения ускорений, можно по известным методикам [<xref ref-type="bibr" rid="cit4">4</xref>] определить динамические, а затем и суммарные корпусные нагрузки, действующие в сечениях РН. Вычислим изгибающий момент, обусловленный инерционными силами, возникающими за счет упругих колебаний корпуса РН:</p><p>(23)</p><p>Здесь 𝑀𝑗(𝑥) — функция распределения по длине РН единичного (при ускорении 𝑞𝑗(𝑡), равном единице) изгибающего момента для -го тона колебаний. Ее можно найти по формуле:</p><p>(24)</p><p>Как отмечалось выше, для проведения модального анализа в данной работе использовался метод КЭ. Данный подход обусловлен тем, что на практике у динамической модели РН достаточно сложная структура. Она включает подконструкции, и нельзя пренебрегать их собственной динамикой. Подконструкции могут крепиться к корпусу РН в одном сечении либо располагаться параллельно продольной оси РН и иметь несколько точек крепления. В этом случае расчет динамических характеристик в континуальной постановке является сложной математической задачей. Кроме того, динамические модели отдельных подконструкций представляются предприятиями-разработчиками в конденсированном (матричном) виде в формате Nastran. По этой причине для расчета динамических характеристик конструкции будет оптимальным задействовать пакет программ инженерного анализа Nastran.</p><p>Однако применение стандартных программ КЭ-анализа для расчета динамического нагружения сопряжено с определенными трудностями. К ним относится необходимость предварительно строить эквивалентную модель внешней аэродинамической нагрузки, пригодную для использования в программе КЭанализа [<xref ref-type="bibr" rid="cit15">15</xref>], что само по себе достаточно сложно. Кроме того, есть трудности, связанные с обработкой результатов расчета. Применение для анализа результатов функционала постпроцессора чрезвычайно трудоемко, требует большого числа ручных операций. Другой путь предполагает применение дополнительного программного обеспечения для обработки массивов числовых данных большой размерности5. В данной работе предлагается подход, в рамках которого программа КЭ-анализа используется только для модального анализа. Динамическое нагружение в этом случае рассчитывается с помощью специально разработанного программного обеспечения, позволяющего варьировать внешние нагрузки и автоматически обрабатывать результаты расчета.</p><p>Для сложной конструкции РН уравнения (7) сохраняют свой вид [<xref ref-type="bibr" rid="cit3">3</xref>]. Стандартная информация вывода программы Nastran может быть базой для получения параметров эквивалентной системы осцилляторов, массы и момента инерции РН, а также для вычисления обобщенных сил, входящих в третье уравнение системы (7). Для формирования левой части третьего уравнения в (7) необходимы значения собственных частот 𝑝𝑗 (Radians) и обобщенных масс 𝑚𝑗 (Generalized mass). Для определения обобщенных сил в правой части третьего уравнения в (7) необходимы функции собственных форм колебаний 𝑓𝑗(𝑥) (Eigenvector). При вычислении динамических инерционных нагрузок по (23) вместо (24) удобнее воспользоваться единичными инерционными нагрузками (силами и моментами), которые выводятся программой Nastran после стандартного запроса усилий при расчете собственных форм и частот. Единичные инерционные нагрузки выводятся отдельно для каждого тона колебаний, причем помноженные на квадрат собственной частоты, что следует учитывать для их корректного использования.</p><p>Результаты исследования. Для проведения тестовых расчетов рассмотрена ракета-носитель среднего класса тандемной схемы. Вид функций погонной изгибной жесткости 𝐵𝐵(𝑥𝑥) и массы 𝑚𝑚(𝑥𝑥), а также распределения сосредоточенных масс 𝑚соср(𝑥) = 𝑚соср𝑟∆(𝑥 − 𝑥𝑟) по длине рассматриваемой РН представлен на рис. 2 (через ∆ обозначена дельта-функция Дирака).</p><fig id="fig-2"><caption><p>Рис. 2. Распределение массовых и жесткостных характеристик по длине РН: погонная масса (а), сосредоточенная масса (б), изгибная жесткость (в)</p></caption><graphic xlink:href="donstu-22-1-g002.jpeg"><uri content-type="original_file">https://cdn.elpub.ru/assets/journals/donstu/2022/1/Hm817goRMW0uescDjziKLkcSsko5g6mcw2a8ctk5.jpeg</uri></graphic></fig><p>Для проверки полученных аналитических решений при воздействии трапецеидальной внешней нагрузки рассчитаны динамические ускорения РН по формуле (20) с учетом (14), (15), (18), (19), (21), (22). При этом учтены 5 упругих тонов собственных поперечных колебаний РН. Характеристики 𝑝𝑗, 𝑚𝑗 и 𝑓𝑗(𝑥) были получены по результатам расчета в программном комплексе MSC Nastran с использованием последовательности решения для модального анализа собственных колебаний (SOL 103). Динамическая конечно-элементная модель РН представлена в виде набора балочных элементов с различными инерционными и жесткостными характеристиками. К балочным упруго или жестко присоединены:</p><p>Конечноэлементная модель РН включает около 1000 составляющих. Элементы, моделирующие закрепления, не использовались для сохранения способности движения РН как твердого тела.</p><p>По той же конечноэлементной модели РН в программном комплексе MSC Nastran рассчитаны ускорения с использованием последовательности решения SOL 119, применяемой для модального анализа переходных процессов. При этом в модальном разложении были учтены все тона собственных колебаний в диапазоне до 100 Гц. Аэродинамическая нагрузка представлена поперечными погонными нагрузками, распределенными по всем балочным элементам, моделирующим корпус РН. Кроме того, задан трапецеидальный закон изменения аэродинамической нагрузки по времени.</p><p>На рис. 3 представлены результаты сравнительного анализа полученных с помощью двух различных подходов ускорений 𝑎0(𝑡) = 𝑦(𝑡, 𝑥0) некоторой точки оси РН с координатой 𝑥𝑥 = 𝑥𝑥0. Видно, что хорошо согласуются два решения:</p><fig id="fig-3"><graphic xlink:href="donstu-22-1-g003.jpeg"><uri content-type="original_file">https://cdn.elpub.ru/assets/journals/donstu/2022/1/XZOnAoEMSiUsLLmOA2b7PoyIgjeoJ4RS6WRR2yFk.jpeg</uri></graphic></fig><p>Выбранное из временного процесса пиковое значение изгибающего момента определяет уровень эквивалентных усилий, принимаемых для проведения прочностного расчета, и выступает изменяющимся параметром при варьировании параметров внешнего воздействия в поперечном направлении [<xref ref-type="bibr" rid="cit16">16</xref>].</p><p>На основе значений динамических ускорений получены зависимости (рис. 4). Они показывают, как изменение пиковых значений изгибающего момента 𝑀 для различных сечений РН связано с параметром θ, характеризующим продолжительность действия порыва. На рис. 4 значения изгибающего момента представлены в виде безразмерных величин 𝑀∗. Они рассчитаны делением размерного изгибающего момента на максимальное значение для данного сечения (например для сечения 𝑥 = 0,3𝐿 максимальное значение 𝑀𝑚ax = 4,6 ∙ 105 Н ∙ м), найденное при варьировании величины θ во всем рассматриваемом диапазоне.</p><fig id="fig-4"><caption><p>Рис. 4. Зависимость значения безразмерного изгибающего момента 𝑀𝑀∗ от продолжительности действия порыва ветра θ∗, выраженной в долях периода 𝑇𝑇1 для различных сечений РН: зона 1 (𝑥 = 0,0 − 0,2𝐿) (a); зона 2 (𝑥 = 0,2𝐿 − 0,4𝐿) (б); зона 3 (𝑥 = 0,4𝐿 − 0,55𝐿) (в); зона 4 (𝑥 = 0,55𝐿 − 0,75𝐿) (г); зона 5 (𝑥 = 0,75𝐿 − 0,9𝐿) (д); зона 6 (𝑥 = 0,9𝐿 − 𝐿) (е)</p></caption><graphic xlink:href="donstu-22-1-g004.jpeg"><uri content-type="original_file">https://cdn.elpub.ru/assets/journals/donstu/2022/1/GArpuXM1hiL5olecb2tuKsjyw2z9JLJqwKpJWXdP.jpeg</uri></graphic></fig><p>Итак, продолжительность действия порыва на графиках представлена безразмерной величиной θ∗, полученной путем деления параметра θ на период 𝑇1 первого тона колебаний РН. Каждая линия графика соответствует одному сечению РН. Все сечения РН сгруппированы по характеру функции 𝑀∗(θ∗) и приведены на различных графиках, а длина РН соответствующим образом разделена на зоны (рис. 5).</p><fig id="fig-5"><caption><p>Рис. 5. Зоны сечений РН</p></caption><graphic xlink:href="donstu-22-1-g005.jpeg"><uri content-type="original_file">https://cdn.elpub.ru/assets/journals/donstu/2022/1/gziLwFqYYRvEjp0VksJuajZXmZeIwvFqsf4OXwKg.jpeg</uri></graphic></fig><p>Из рис. 4 видно, что для первой зоны максимум изгибающего момента достигается уже при значениях θ не менее 15 % от периода 𝑇𝑇1 первого тона колебаний. Для второй и третьей зон — несколько больше половины периода 𝑇𝑇1. Дальнейшее увеличение значений θ не влияет на величины максимальных значений изгибающего момента. Для зон 4–6 максимум значения изгибающего момента оказывается локальным и располагается в зоне значений θ, близких к величине половины периода 𝑇1 первого тона колебаний РН. Полученные результаты полностью соответствуют итогам конечноэлементного моделирования, проведенного ранее6.</p><p>Таким образом, для получения максимальных значений изгибающего момента в сечениях рассматриваемой РН необходим динамический анализ поведения конструкции с внешним воздействием в виде порыва ветра, продолжительность которого определяется параметром θ, близким по значению к половине периода первого тона колебаний РН.</p><p>Обсуждение и заключения. С помощью метода наложений получены аналитические решения, описывающие движение системы с одной степенью свободы, на которую влияют сила трения и внешняя сила, меняющаяся по трапецеидальному закону. Приведена методика применения полученных аналитических решений для систем с большим числом степеней свободы. Показано хорошее совпадение двух видов решений:</p><p>Показано, что аналитические решения могут применяться для анализа динамических силовых факторов с целью выбора продолжительности порыва ветра, при воздействии которого достигаются максимальные нагрузки в сечениях корпуса РН. Аналогично можно анализировать перегрузки, которые достигаются в сечениях РН (например, в точках установки систем измерения).</p><p>Кроме того, на основании предложенной методики можно построить полный цикл предварительного расчета нагрузок в случае, когда возможно аналитическое представление внешней динамической нагрузки. Анализ нагружения на основе аналитических решений весьма экономичен с точки зрения расчетного времени и может быть прекрасной альтернативой конечноэлементному моделированию на этапе проектных расчетов, когда исследуется большое число вариантов комбинаций внешних нагрузок и конфигураций разрабатываемой конструкции. Конечноэлементный анализ подробной модели в этом случае можно использовать как уточняющий итоговый расчет.</p><p> </p><p>1. Лиходед А. И. Динамика конструкций и определение нагрузок. Королев : Изд-во АО ЦНИИмаш, 2020. 239 с.2. Колесников К. С. Динамика ракет. М. : Машиностроение, 2003. 520 с.3. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. М. : URSS, 2017. 416 с.4. Яблонский А. А. Курс теоретической механики. М. : Интеграл-Пресс. 2007. 603 с.5. Малыхина О. И. Автоматизация обработки результатов конечноэлементного анализа нагружения конструкций ракетно-космической техники : сб. ст. VII науч.-тех. конф. молодых ученых и специалистов Центра управления полетами. Королев : ЦНИИМаш, 2017. С. 427– 434.6. Малыхина О. И., Глуговский М. С. Анализ влияния профиля порыва ветра на величину корпусных нагрузок ракеты-носителя в полетных случаях нагружения // Актуальные проблемы ракетно-космической техники (VI Козловские чтения) : мат-лы VI всерос. науч.-тех. конф. Самара, 2019. Т. 1. С. 133–138.</p><p> </p></body><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Основы отработки прочности ракетно-космических конструкций / А. В. Кармишин, А. И. Лиходед, Н. Г. Паничкин, С. Н. Сухинин. — Москва : Машиностроение, 2007. — 480 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Основы отработки прочности ракетно-космических конструкций / А. В. Кармишин, А. И. Лиходед, Н. Г. Паничкин, С. Н. Сухинин. — Москва : Машиностроение, 2007. — 480 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Johnson, D. L. The Role of Terrestrial and Space Environments in Launch Vehicle Development / D. L. Johnson, W. W. Vaughan // Journal of Aerospace Technology and Management. — 2019. — Vol. 11. — e4719. https://doi.org/10.5028/jatm.v11.1088</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Johnson, D. L. The Role of Terrestrial and Space Environments in Launch Vehicle Development / D. L. Johnson, W. W. Vaughan // Journal of Aerospace Technology and Management. — 2019. — Vol. 11. — e4719. https://doi.org/10.5028/jatm.v11.1088</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Об особенностях расчета нагрузок для конструкций с переменными массово-инерционными характеристиками / А. В. Анисимов, С. Н. Золкин, А. И. Лиходед [и др.] // Космонавтика и ракетостроение. 2012. — № 2 (67). — С. 120–128.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Об особенностях расчета нагрузок для конструкций с переменными массово-инерционными характеристиками / А. В. Анисимов, С. Н. Золкин, А. И. Лиходед [и др.] // Космонавтика и ракетостроение. 2012. — № 2 (67). — С. 120–128.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Гладкий, В. Ф. Динамика конструкции летательного аппарата / В. Ф. Гладкий. — Москва : Наука, 1969. — 495 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Гладкий, В. Ф. Динамика конструкции летательного аппарата / В. Ф. Гладкий. — Москва : Наука, 1969. — 495 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Suresh, B. N. Aerodynamics of Launch Vehicles / B. N. Suresh, K. Sivan / In book: Integrated Design for Space Transportation System. — New Delhi : Springer, 2015. — P. 391–454. https://doi.org/10.1007/978-81-322-2532-4_10</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Suresh, B. N. Aerodynamics of Launch Vehicles / B. N. Suresh, K. Sivan / In book: Integrated Design for Space Transportation System. — New Delhi : Springer, 2015. — P. 391–454. https://doi.org/10.1007/978-81-322-2532-4_10</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Clark, J. B. Statistical Analysis of Atmospheric Flight Gust Loads Analysis Data / J. B. Clark, M. C. Kim, A. M. Kabe // Journal of Spacecraft and Rockets. — 2000. — Vol. 37. — P. 443–445. https://doi.org/10.2514/2.3602</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Clark, J. B. Statistical Analysis of Atmospheric Flight Gust Loads Analysis Data / J. B. Clark, M. C. Kim, A. M. Kabe // Journal of Spacecraft and Rockets. — 2000. — Vol. 37. — P. 443–445. https://doi.org/10.2514/2.3602</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kim, M. C. Atmospheric Flight Gust Loads Analysis / M. C. Kim, A. M. Kabe, S. S. Lee // Journal of Spacecraft and Rockets. — 2000. — Vol. 37. — P. 446–452. https://doi.org/10.2514/2.3603</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kim, M. C. Atmospheric Flight Gust Loads Analysis / M. C. Kim, A. M. Kabe, S. S. Lee // Journal of Spacecraft and Rockets. — 2000. — Vol. 37. — P. 446–452. https://doi.org/10.2514/2.3603</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Linearized Aeroelastic Gust Response Analysis of a Launch Vehicle / F. Mastroddi, F. Stella, D. Cantiani, F. Vetrano // Journal of Spacecraft and Rockets. — 2011. — Vol. 48. — P. 420–432. https://doi.org/10.2514/1.47268</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Linearized Aeroelastic Gust Response Analysis of a Launch Vehicle / F. Mastroddi, F. Stella, D. Cantiani, F. Vetrano // Journal of Spacecraft and Rockets. — 2011. — Vol. 48. — P. 420–432. https://doi.org/10.2514/1.47268</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Jayasidhan, A. K. Dynamic Response of a Launch Vehicle to Wind Gust / A. K. Jayasidhan, J. Rose, R. Neetha // International Journal of Engineering Development and Research (IJEDR). — 2015. — Vol. 3. — P. 1–6.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Jayasidhan, A. K. Dynamic Response of a Launch Vehicle to Wind Gust / A. K. Jayasidhan, J. Rose, R. Neetha // International Journal of Engineering Development and Research (IJEDR). — 2015. — Vol. 3. — P. 1–6.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Золкин, С. Н. Исследование нагружения ракеты-носителя тяжелого класса при движении в плотных слоях атмосферы / С. Н. Золкин // Труды МАИ. — 2011. — № 45. — С. 1–12.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Золкин, С. Н. Исследование нагружения ракеты-носителя тяжелого класса при движении в плотных слоях атмосферы / С. Н. Золкин // Труды МАИ. — 2011. — № 45. — С. 1–12.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Sengupta, D. A simplified model for hydroelasticity of containerships / D. Sengupta, R. Datta, D. Sen // Journal of Engineering Mathematics. — 2021. — Vol. 129. — P. 1–30. https://doi.org/10.1007/s10665-021-10142-2</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Sengupta, D. A simplified model for hydroelasticity of containerships / D. Sengupta, R. Datta, D. Sen // Journal of Engineering Mathematics. — 2021. — Vol. 129. — P. 1–30. https://doi.org/10.1007/s10665-021-10142-2</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Xiang, Z. Synergic identification of prestress force and moving load on prestressed concrete beam based on virtual distortion method / Ziru Xiang, Tommy Chan, David Thambiratnam, Andy Nguyen // Smart Structures and Systems. — 2016. — Vol. 17. — P. 917–933. https://doi.org/10.12989/sss.2016.17.6.917</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Xiang, Z. Synergic identification of prestress force and moving load on prestressed concrete beam based on virtual distortion method / Ziru Xiang, Tommy Chan, David Thambiratnam, Andy Nguyen // Smart Structures and Systems. — 2016. — Vol. 17. — P. 917–933. https://doi.org/10.12989/sss.2016.17.6.917</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Механика контейнерного старта ракеты при действии поперечных нагрузок / А. А. Александров, Д. К. Драгун, А. И. Забегаев, В. В. Ломакин // Инженерный журнал: наука и инновации. — 2013. — № 3 (15). С. 1–10.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Механика контейнерного старта ракеты при действии поперечных нагрузок / А. А. Александров, Д. К. Драгун, А. И. Забегаев, В. В. Ломакин // Инженерный журнал: наука и инновации. — 2013. — № 3 (15). С. 1–10.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Кирилин, А. Н. Проектирование, динамика и устойчивость движения ракет-носителей. Методы, модели, алгоритмы, программы в среде MathCad / А. Н. Кирилин, Р. Н. Ахметов, А. В. Соллогуб. — Москва : Машиностроение, 2013. — 296 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Кирилин, А. Н. Проектирование, динамика и устойчивость движения ракет-носителей. Методы, модели, алгоритмы, программы в среде MathCad / А. Н. Кирилин, Р. Н. Ахметов, А. В. Соллогуб. — Москва : Машиностроение, 2013. — 296 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Johnson, D. L. The Wind Environment Interactions Relative to Launch Vehicle Design / D. L. Johnson, W. W. Vaughan // Journal of Aerospace Technology and Management. — 2020. — Vol. 12. — e0220. — P. 1–13. https://doi.org/10.5028/jatm.v12.1090</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Johnson, D. L. The Wind Environment Interactions Relative to Launch Vehicle Design / D. L. Johnson, W. W. Vaughan // Journal of Aerospace Technology and Management. — 2020. — Vol. 12. — e0220. — P. 1–13. https://doi.org/10.5028/jatm.v12.1090</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Титов, В. A. Оценка влияния квазистатического изгиба конструкции ракеты-носителя на нагрузки в зоне прохождения максимального скоростного напора / В. A. Титов // Космонавтика и ракетостроение. — 2013. — № 1 (70) — С. 76–82.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Титов, В. A. Оценка влияния квазистатического изгиба конструкции ракеты-носителя на нагрузки в зоне прохождения максимального скоростного напора / В. A. Титов // Космонавтика и ракетостроение. — 2013. — № 1 (70) — С. 76–82.</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
