автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование динамических воздействий на объекты ракетно-космической техники при морской транспортировке

На правах рукописи

Широков Сергей Витальевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБЪЕКТЫ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЁХНИКИ ПРИ МОРСКОЙ

ТРАНСПОРТИРОВКЕ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 мдя 2012

Самара-2012

005043010

Работа выполнена на кафедре «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» ФГБОУВПО «Самарский государственный технический университет» и в ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Абакумов Александр Михайлович

Официальные оппоненты: Лысов Владимир Ефимович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУВПО «Самарский государственный технический

университет», профессор кафедры «Электропривод и промышленная автоматика» Масляницын Александр Петрович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства»

Ведущая организация: ФГБОУВПО «Самарский государственный

аэрокосмический университет им. С.П. Королева» (Национальный исследовательский университет), г. Самара

Защита состоится 28 мая 2012 г. в 13— часов на заседании диссертационного совета Д212.217.03ФГБОУВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская 141, 6 корпус, ауд. № 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, Россия, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18.

Отзывы на автореферат просим высылать в двух экземплярах, заверенных печатью, по адресу:443100, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.03.

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.217.03 кандидат технических наук, доцент

банов Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. После завершения производства ракет-носителей (РН) одним из важнейших вопросов является ее транспортирование в эксплуатирующую организацию.

Транспортирование блоков РН осуществляется горизонтально в защищающих от внешних атмосферных условий специальных контейнерах, в которых блоки РН, в отличие от большинства других грузов, закрепляются непосредственно к несущей раме без защитной оболочки. На блоки РН при этом воздействуют динамические нагрузки, характер которых отличается от нагрузок, воздействующих на РН в полете.

Проблема сохранения эксплуатационных характеристик РН в процессе транспортирования может решаться либо усилением конструкции последней, что увеличивает ее массу, либо ограничением допустимых перегрузок при ее транспортировании. Ранее транспортировка внутри нашей страны осуществлялась железнодорожным или автомобильным транспортом. Для этих условий проблема исследования нагрузок на транспортируемое изделие ракетно-космической техники (РКТ) достаточно изучена, разработаны и широко используются математические модели, позволяющие расчетными методами определить значения этих нагрузок и провести их анализ.

В настоящее время в связи с расширением географии использования объектов отечественной РКТ возникают ситуации, приводящие к необходимости транспортирования блоков РН на большие расстояния из европейской части России на космодромы Южной и Северной Америк, Юго-Восточной и Восточной Азии, в районы запуска в Индийском Океане. В результате этого возникла необходимость использования морского транспорта для доставки оборудования и изделий РКТ в требуемую точку. Разработка материалов настоящей диссертации осуществлялась в рамках проведения работ по созданию ракетно-космического комплекса для РН «Союз-СТ» в Гвианском Космическом Центре.

В процессе транспортирования морским транспортом динамические воздействия на перевозимое изделие отличаются от динамических воздействий при транспортировании железнодорожным или автомобильным транспортом. Для случая морской перевозки возмущающие воздействия на объект транспортирования передаются посредством воздействия на судно морского волнения, определяемого высотой волн, скоростью их набегания, курсовым углом и другими параметрами.

Для определения динамических воздействий на судно отечественными учеными А. Н. Крыловым,В. В. Семеновым-Тянь-Шаньским, А. М. Васиным, Ю. В. Ремезом, Л. Л. Вагущенко.С. Н. Благовещенским, М. А. Бельговой, Р. В. Борисовым,А. Н. Малышевыми др. было разработано большое количество математических моделей, позволяющих определить его поведение под воздействием волнения воды. Однако модели, разработанные указанными авторами, не учитывают в совокупности динамические воздействия на транспортируемое изделие, зависящее от параметров морского волнения, динамических характеристик судна, упруго-диссипативных свойств транспортируемых изделий и средств крепления изделий на

транспортном средстве. Вопрос определения нагрузок на перевозимых судном объектах в настоящее время изучен только для традиционных грузов, в то время как способы закрепления объектов РКТ на судне имеют свои отличия, обусловленные совокупностью конструктивных особенностей, большими габаритами, высокими требованиями по допустимым нагрузкам и другими причинами. В существующих моделях эти вопросы не учитываются, в связи с чем, требуется разработка новых математических моделей, позволяющих определять возникающие нагрузки на перевозимых морским транспортом объектах РКТ с учетом различных факторов, а также осуществлять их исследование, анализ и предъявлять требования к устройствам демпфирования этих нагрузок. Такая постановка задачи определяет актуальность темы настоящей диссертационной работы.

Цель диссертационной работы. Исследование динамических воздействий на объекты ракетно-космической техники, перевозимые морским транспортом, и разработка рекомендаций по их снижению.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ математических моделей морского волнения, разработка и исследование моделей, описывающих перемещения судна при воздействии морского волнения;

-разработка математической модели, для расчета перемещений и ускорений точки размещения средств крепления на судне, возникающих при воздействии морского волнения;

'- разработка математических моделей, устанавливающих взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна, с учетом упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на транспортном судне;

разработка обобщенной математической модели взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие» для исследования динамических воздействий на транспортируемое изделие;

- разработка методики и исследование зависимости перегрузок на изделии от характеристик морского волнения, характеристик судна и средств крепления;

определение динамических воздействий на конкретный объект транспортирования и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными;

- разработка рекомендаций по снижению динамических воздействий на транспортируемое изделие.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теоретической механики, математического анализа, методы теории колебаний механических объектов, теории автоматического управления, экспериментальные методы исследования динамических процессов.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- разработана математическая модель для расчета возникающих при воздействии морского волнения перемещений и ускорений точки размещения элемента крепления изделия на судне, отличающая от существующих учетом места

размещения транспортируемого изделия и особенностями его закрепления, что позволяет выбрать наиболее рациональное место размещения изделия на судне;

- разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна в отличии от других моделей, учитывающая упруго-диссипативные свойства транспортируемого изделия РКТ и средств его крепления;

- сформирована обобщенная математическая модель взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие», функционально ориентированная на определение динамических воздействий на изделие и отличающаяся от существующих учетом в совокупности параметров морского волнения, характеристик судна, конструктивных особенностей средств крепления и транспортируемого изделия РКТ, что позволяет сформировать требования к демпфирующим свойствам средств крепления для каждого транспортируемого объекта;

- созданы новая методика исследования зависимости перегрузок на изделии от параметров стационарного морского волнения и новая методика формирования требований к параметрам амортизирующих элементов для каждого транспортируемого объекта.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

На основе разработанных математических моделей определены уровни воздействий на конкретный объект транспортирования и выработаны рекомендации по снижению воспринимаемых изделием динамических нагрузок." Анализ сравнения расчетов с результатами экспериментальных исследований свидетельствует о работоспособности предложенных моделей и методик.

Полученные результаты позволяют обоснованно подходить к выбору и проектированию технических средств, применяемых в процессе морского транспортирования механических объектов РКТ, а также могут быть использованы при проведении проверочных прочностных расчетах блоков РН и разработке испытательных комплексов для экспериментальных исследований динамических воздействий на механическое оборудование в процессе транспортирования.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических и научно-технических конференциях:

- I международной научно-технической конференции имени Д.И.Козлова «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», г. Самара, 2009 г.;

- X международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2010 г.;

- VI Всероссийской конференции-семинара с международным участием «Научно-техническое творчество: Проблемы и перспективы», г. Сызрань, 2011 г.;

- II международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (ПКозловские чтения), г. Самара, 2011 г.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики, положения и выводы использованы при разработке технологии транспортирования блоков ракет-носителей «Союз-СТ» в Гвианский космический центр.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе, 3 работы в изданиях, определенных перечнем ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из72 наименований. Основной текст диссертации изложен на 114 страницах, диссертация содержит 52 рисунка, 10 таблиц.

Положения, выносимые на защиту:

- обобщенная математическая модель взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие», позволяющая определить динамические воздействия на изделие с учетом параметров морского волнения, характеристик судна и упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на транспортном судне;

- методика и результаты исследования зависимости перегрузок на изделии при стационарном морском волнении для конкретного объекта транспортирования и методика выявления требований к параметрам амортизирующих элементов;

-результаты исследования влияния характеристик судна и упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на динамические нагрузки и рекомендации по их снижению.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе работы на основе аналитического обзора литературных источников по рассматриваемой проблеме сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе проведен анализ математического описания морского волнения, разработаны и исследованы модели, описывающие перемещения судна при воздействии морского волнения; разработаны математические модели, устанавливающие взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна с учетом упруго-диссипативных свойств изделия и средств его крепления на транспортном судне.

При проведении исследований рассматривалась типовая схема морской транспортировки объектов PKT. Изделие РКТ устанавливается в спецконтейнер, который, в свою очередь, закрепляется на платформе на колесном ходу. Платформа фиксируется на судне с помощью стяжных приспособлений. Принципиальная схема закрепления изделия РКТ при морской транспортировке представлена на рисунке 1.

Для разработки математической модели, ориентированной на исследования динамических воздействий на изделие при морской транспортировке, целесообразно провести структурное описание объекта исследования, представив его в виде взаимосвязанных звеньев или подсистем, показанных на рисунке 2.

Рисунок 1

Морское волнение, характеризующееся высотой волн (h) длиной волн (X), углом наклона волн (а), скоростью волн (т>) ___и др.__

-_ZZZZ__J_ZIZZ_;

Судно, характеризующееся шириной (Н), длиной (L), водоизмещением (D) и другими параметрами.

~-- i --:-

Платформа, характеризующаяся упругими и демпфирующими свойствами, изделие, характеризующееся массой (ш), допустимой величиной перегрузок (п) и другими _____параметрами.

Рисунок 2

Морское волнение представляет собой процесс колебания морской поверхностей является основным возмущающим воздействием „а иссле™" динамическую систему. п^кнуъмую

При решении различных теоретических задач в области судостроения исходя „ поставленных вопросов, применяю™ различные модели морского вХеГяС

п 5Х!ГГ™ НаСТОЯЩеЙ Раб0ТС 3аДаЧ " °Пред— максимально возможных перегрузок на транспортируемом изделии, - для дальнейших расчетов принята модель морского волнения, включающая ряд допущений: морское вол™ регулярно и двухмерно, то есть форма профиля всех волн одинакова и близка к синусоиде; длина гребней волн велика по сравнению с судном, а проф«х в^н одинаковы во всех вертикальных плоскостях, параллельных линии "аспрос^аненГ

колебан1:В°ЗДеНСТВИеМ М°РСК0Г° ВаЯНеШ1Я СуДН° осУщсстеляет следующие видь,

- бортовую качку - вращательные колебания около продольной горизонтальной оси, связанной судном; продольной

- килевую качку - вращательные колебания около поперечной горизонтальной

оси.

- вертикальную качку - поступательные колебания в вертикальном направлении;

Кроме приведенных выше видов качки судном также осуществляются два вида поступательных колебаний - горизонтально-продольные и горизонтально-поперечные, а также рыскание.

Характер движения точек судна не линеен и зависит от множества факторов, таких как взаимное влияние продольной, поперечной и бортовой качек, направление движения судна, характер волнения и т.п. Методы, учитывающие все факторы достаточно сложны, в связи с этим существует множество моделей расчетов движения судна, учитывающих в полной мере только те или иные факторы. Колебаниями судна в продольно-поперечном направлении и другими колебаниями судна для решения задачи, описываемой в данной работе, можно пренебречь в виду малости их значений и, соответственно, несущественного их влияния на нагружения изделия. При построении модели исследуемая система с распределенными параметрами рассматривается как объект с сосредоточенными параметрами.

Вектор А перемещения точки корпуса судна, в которой установлены средства крепления изделия, может быть представлен в виде компонент АХс, А 1с, в прямоугольной системе координат. Транспортируемое изделие (блок РН) может устанавливаться на палубе судна в общем случае с использованием амортизирующих элементов или непосредственно на закрепленной транспортировочной тележке. Перемещения АХС, Д Ус, А 2с являются кинематическими воздействиями на амортизирующие элементы. Кроме того, при колебательных движениях корпуса относительно центра массы судна на изделие действует центробежная сила. Как показал анализ, динамические нагрузки на изделие при килевой и бортовой качке определяются преимущественно кинематическими воздействиями по координате Z

Расчетная схема для бортовой качки показана на рисунке 3.

Уравнение бортовой качки судна с учетом принципа Даламбера для малых отклонений может быть представлено в следующем виде:

где

¡иБК - относительный коэффициент затухания для бортовой качки;

аБк ' частота свободных колебаний судна для бортовой качки;

ЬБК - коэффициент пропорциональности для бортовой качки.

Величины рБК, соБК, Ъш определяются исходя из характеристик судна.

После преобразования уравнения (1) по Лапласу получена передаточная

а ддс№ + 2Ибк°>бк + 0)1кАаа.к = Ь;жАа1

<к

■в'

(1)

функция

'сбк(р)__кбк

Аав(Р) (Т£крг + 2£БКТБКр + 1)'

и / /

где р - оператор Лапласа, кБК = Бу 2 , ТБК = V , £бк = Рбк ■

со

бк

ая -угол наклона волны, аСБк~угол наклона судна, А7.пк - перемещение изделия от бортовой качки, г - расстояние между осью вращения судна и точкой размещения средств крепления, тс - масса судна, тИ масса изделия.

Рисунок 3

С учетом размещения средств крепления изделия на расстоянии г от центра тяжести судна в общем случае перемещение точки крепления по координате 2может быть записано в виде

Д2 = г эт Д ас соб /? - 2г(зт

——) ътр .

Максимальные динамические нагрузки соответствуют ситуации, когда/? - 0°. В результате линеаризации последнего выражения передаточная функция для

выходной координаты Д2получена в виде

цг ги гквк_

БКхКР) Д ав(р) (Т2БКр2+2^БКТБКр + \)_

Уравнение движения для платформы, на которой закрепляется изделие, может быть представлено в следующем виде:

т,

Л2

~ = к2(А2аж-А7.кк)-Щ-

Л

)

(2)

После преобразования уравнения (2) по Лапласу получена передаточная функция

1ГБК2 (р) =

^гАр)

(Т0р+1)

агСБК(Р) (т22р2+142т2р+1)

где

п2 к2 27*2 л2

С учетом полученных соотношений структурная схема модели для бортовой качки представлена в виде, показанном на рисунке 4

Лав(р) 1Ы Р) Л1свк{р) 1УБК2(р) ¿'¿бк(Р1

Рисунок 4

Таким образом, для бортовой качки динамическая модель рассматриваемого объекта, связывающая перемещение изделия 2БК с возмущением а„, может быть представлена в виде передаточной функции

ш ,-„■, кБКг(Т0р + \)__ (3)

Аав(р) {Т2кр2+2^кТгмр + ЩТ2р2+2^2р + 1) Аналогично для килевой качки динамическая модель рассматриваемого объекта, связывающая перемещение изделия от килевой качки - 2КК с возмущением а„, может быть представлена в виде передаточной функции

Иж(£)=_кшг(ТоР + \)_

ав(р) (Т2Кр2 + 2{ккТккр + 1 ){Т2р2 + 2{Т2р +1) , (4)

Для вертикальной качки использована схема воздействия морского волнения на судно и транспортируемое изделие, представленная на рисунке5.Схема и расчеты для вертикальных перемещений производятся из условия, что судно не осуществляет колебаний вокруг продольных и поперечных осей (килевых и бортовых колебаний), а двигается поступательно вверх и вниз.

С применением схемы, представленной на рисунке 5, для вертикальной качки динамическая модель рассматриваемого объекта, связывающая перемещение изделия 2Вк с возмущением гв, может быть представлена в виде передаточной функции

«г _кик(тоР+\)_

мШ Л2в(р) (ТдКр2 + 2 $вкТвкр +1 )(Г2У + 2 ЬТ2р +1)

В этой формуле квк = Ьвк/ 2 ,ТВК= V , £вк = Мвк / 01 вк ' вк

Полученные обобщенные динамические модели позволяют исследовать основные динамические нагрузки, воздействующие на изделие при морской транспортировке.

г в - высота волны, гс - перемещение судна, 2И - перемещение изделия, тс-масса судна, тИ - масса изделия.

Рисунок 5

В третьей главе проанализированы характеристики возмущающего воздействия и на основе полученных обобщенных динамических моделей разработана методика определения перегрузок на изделии при стационарных режимах.

В качестве возмущающего воздействия рассмотрено морское волнение, представляющее собой процесс колебания морской поверхности и характеризующееся элементами профиля: Л— длина волны, ге - высота волны, ау-угол наклона волны, т - период волны, со - угловая частота, с - скорость перемещения профиля волны. Эти величины связаны следующими закономерностями

со=2я/т, с = ,/— ,с = —. (6)

V 2ж т

По статистике крутизна волн в океанах изменяется в пределах

Я 17 '23'

Используя приведенные выше статистические данные и формулы (6), можно определить угловую частоту волнения. Для волнения силой 3 балла (гв=1,25) она составит «1,25=1,7 рад/с. Для волнения силой 6 баллов (гв=3,5^6) она составит

(о3 5+6=0,47-4),72 рад/с.

Аналогично выражениям для обобщенных динамических моделей (3), (4) и (5),с учетом того, что силовое воздействие на изделие определяется величиной ускорений^, £кк, евк получены передаточные функции связывающие ускорения в точке закрепления изделия с возмущениямиад, гв.Ш основе указанных передаточных функций построены амплитудно-частотные характеристики обобщенного объекта при различных видах качки.

На рисунке 6 представлен график амплитудно-частотной характеристики(АЧХ) для бортовой качки для случая транспортирования блоков РН «Союз-СТ» на судне типа "Тукан" с длиной наибольшей - 115,5 м, шириной - 20,38 м, осадкой -5 м, водоизмещением брутто - 9125 тонн, для случая, когда груз размещается вдоль поперечной оси судна на расстоянии/- = 10 м от центра судна. Расчетные значения параметров: 2, = 0,22 с, 6 = 0,9, То = 0,42 с, ТБК = 1,3 с, = 0,2, кБК = 0,724.

0,8 со, рад/с Рисунок 6

Из полученной характеристики следует, что наибольшее значение относительной амплитуды выходной переменной - ускорения перемещения точки опоры изделия имеет место при частоте возмущающего воздействия 1,0 рад/сек и

составляет/! ¿/да,) =18.

Частоте морского волнения соответствует высота волн, определяемая с помощью соотношений (6) и зависимости (7)

17 ' 23 т2

Для частоты 1,0 рад/с она составляет_ ] » 2,5 метров.

Средний угол наклона волны по статистике составляетав= 9°. С учетом того что волна имеет два склона, максимальное изменение угла наклона волны при воздействии на судно составит Лавтах= 18° = 0,3 рад.

С использованием передаточной функции (5) и найденного значения амплитуды, определено ускорение в точке опирания изделия для бортовой качки:

ебк = А£(со)Аав.

Для максимальной амплитуды входной переменной амплитуда максимального ускорения точки опирания изделия для рассматриваемого расчетного случая составляет^ =0,3* 18 «5,4 м/с2.Для рабочего диапазона частот <у3:М=0,47-Н),72 рад/с еБК = 0,3 * 7,8 к 2,5 м/с2.

Соответственно для данного вида качки перегрузка на изделии

С учетом разработанной методики построены графики АЧХ для различных видов качки.

График амплитудно-частотной характеристика для ускорения изделия для различных величин г - расстояния от центра тяжести судна для бортовой качки представлен на рисунке 7.

20

0.2 0,4 0.6 0,8 1 1,2 1,4

со, рад/с Рисунок 7

Исходя из решаемой в работе задачи, оценка максимальной динамической нагрузки выполнена для наиболее неблагоприятного случая совпадения максимумов ускорений от различных видов качки

есш - ЕКК + еБК + Евк • Полученная в таком виде оценка значения максимального ускорения на изделии гарантированно может использоваться при проектных расчетах самого изделия и средств крепления изделия.

Исходя из изложенного, максимальная перегрузка на транспортируемом изделии будет

Результаты сравнения расчетных величин с замеренными экспериментально приведены на рисунке 8.

0,6

0.4 § 0.2

>> п.

и

о.

—Экспериментальные значения

— Расчетные значения

СГ> Г-- П —I 00 —< —I С!

О 'О «Г; О —« П

оо ао ос оо со оо сс

" 'О 'Л О. V, г', Г1

С1 О О ГЛ о

ж - - •<•: со

гл -Г V, I/, (/-. I,-,

а м О! со к в ¿С V да

Время события Рисунок 8

Сравнение данных, полученных расчетным и экспериментальным путем в целом показало удовлетворительное совпадение результатов. Превышение расчетных значений над экспериментально замеренными для среднестатистических условии морского волнения составляют около 25 %, что объясняется в частности тем, что при расчетах относительный коэффициент затухания колебаний судна и брался для обычных судов, однако экспериментальные данные были получены пси транспортировании блоков РН на спецсудне, имеющем меньшую осадку по сравнению с типовыми контейнеровозами. В целом полученные результаты подтверждают правильность разработанной математической модели и возможность применения описанной методики для проведения проверочных расчетов по определению возможных величин перегрузок на изделии при морской транспортировке. 1

В четвертой главе с применением разработанных моделей и методики оценено влияние характеристик элементов крепления изделия на судне и характеристик судна на возникающие динамические воздействия и предложены мероприятия по снижению нагрузок на блоки РН «Союз-СТ» при транспортировании их на судне типа «Колибри».

В ходе анализа, проведенного в предыдущей главе, установлено что

наибольшие перегрузки определяются килевой качкой при размещении груза в

краиних точках судна. При размещении груза ближе к центру судна перегрузки

определяются в большей степени бортовой и в меньшей степени вертикальной качками.

Исследованы зависимости перегрузок на изделииотпараметровГ2 и Ь определяемых динамическими свойствами конструкции второго звена объекта -транспортировочного полуприцепа на колесном ходу.

На рисунке 9 приведен график изменения перегрузки на изделии для исследуемои динамической системы для различных величин Т2 и £,= 0 9 при бортовой качке для случая перевозки блоков РН «Союз-СТ»на судне' типа

«Колибри». Их анализ показывает, что с увеличением Т2 величина перегрузки снижается.

0,46 0.5 0,54 0,58 0,62 0,66 0,7

Частота со, рад/с Рисунок 9

С применением разработанной методики проведено исследование зависимости перегрузки на транспортируемом изделии от параметров, определяемых типом судна. На рисунке 10 приведен график изменения перегрузки на изделии для случая килевой качки и варианта размещения груза на расстоянии г = 35 м от центра тяжести судна, полученные для судов с различным водоизмещением О: 9000 т, 18000 т, 5000 т.

Частота со, рад/с Рисунок 10

Проанализирована возможность снижения перегрузок на изделии за счет введения в динамическую структуру амортизирующих элементов, установленных на средства крепления изделия к судну. При этом была разработана следующая методика определения требуемых параметров виброизолирующего элемента: формируется желаемая ЛАХ Ь (&>), обеспечивающая снижение амплитуды ускорений изделия во всем диапазоне интересующих частот до некоторого

требуемого значения Адт или в логарифмическом масштабе до Ь0т =201 вА0т, дБ (рисунок 11); на основе ЛАХ Х,(<а) и Ь (&>) строится требуемая ЛАХ Ь2{со) защищаемого объекта с амортизирующим элементом; по виду ЛАХ ¿2 (&>) выявляются требования к параметрам амортизирующего элемента.

Рисунок 11

Построены графики изменения перегрузки для .различных параметров дополнительно амортизирующего элемента (рисунок 12)

С 0.44 0,49 0.54 0,59 0,64 0.69 0,74

Частота со, (рад/сек) Рисунок 12

По результатам анализа графика изменения значений перегрузок, приведенном на рисунке 12, установлено, что при введении амортизирующего элемента с параметром= 1,5 с максимальная перегрузка в районе рабочих частот может бьггь снижена на 30 % с п=0,41 до п=0,24.

По результатам исследований, проведенных в четвертой главе, сформированы общие рекомендации, направленные на снижение перегрузок, воспринимаемых изделиями, перевозимыми морским транспортом. Проведенные исследования позволили получить результаты, которые будут учитываться при выборе или

разработке демпфирующих устройств средств крепления блоков РН к судну и при выборе места расположения изделий РКТ для соответствующих типов транспортных кораблей. Также полученные результаты исследования будут использоваться при проведении проверочных расчетов на величину нагружения изделий РКТ для расчетных случаев морской транспортировки. Возможность применения полученных в настоящей диссертационной работе результатов подтверждена актом, составленным научно-технической комиссией и утвержденным генеральным конструктором ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих математических моделей морского волнения и обоснован выбор для решаемой задачи модели стационарного морского волнения.

2. Разработаны математические модели для расчета перемещений, скоростей и ускорений точек размещения на судне устройств крепления для различных видов качки с учетом массо-габаритных характеристик судна.

3. Созданы математические модели, устанавливающие взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна с учетом упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на транспортном судне.

4. Разработана обобщенная математическая модель взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие», позволяющая определить динамические воздействия на изделие с учетом параметров морского волнения, характеристик судна и средств крепления изделия.

5. На основе обобщенной математической модели динамической системы «судно - транспортируемое изделие» сформирована методика и проведено исследование зависимости перегрузок на изделии от характеристик морского волнения, характеристик судна и средств крепления.

6. Предложена методика формирования требований к параметрам амортизирующих элементов из условия обеспечения снижения динамических воздействий на транспортируемое изделие до допустимого уровня.

7. Определены величины динамических воздействий на блоки РН "Союз-СТ" при заданных конкретных условиях транспортирования.

8. На основе сравнения полученных расчетным способом величин динамических воздействий на блоки РН "Союз-СТ" при заданных конкретных условиях транспортирования с полученными экспериментально замерами в реальных условиях показана работоспособность предложенных моделей и методик.

9. Полученные результаты работы могут использоваться при проектировании средств транспортирования изделий РКТ для расчетного случая морской транспортировки, а также при проведении проверочных расчетов на величину нагружения изделий PICT для этих расчетных случаев, что подтверждено актом об использовании результатов настоящей кандидатской диссертации, составленным

научно-технической комиссией и утвержденным генеральным конструктором ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс».

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях.

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций:

1. Широков, C.B. Анализ характеристик нагружения блоков ракет-носителей «Союз-СТ» в местах их опирания при морской транспортировке/ C.B. Широков// Вестник СГАУ им. С.П.Королева. Выпуск № 1(17). - г. Самара, 2009 г. -С. 61-67.

2. Широков, C.B. Исследование динамических воздействий на объекты морской транспортировки при бортовой качке/ C.B. Широков// Вестник СамГТУ, серия «Технические науки». Выпуск № 1 (29). - г. Самара, 2011 г.. - С. 59 - 63.

3. Широков, C.B. Исследование влияния характеристик средств транспортирования на перегрузку при морской перевозке/ C.B. Широков// Вестник СамГТУ, серия «Технические науки». Выпуск № 3 (31 ). - г. Самара, 2011 г. - С. 49 -53.

Публикации в других изданиях:

4. Широков, C.B. Анализ динамических воздействий на объекты морской транспортировки/ А.М.Абакумов, C.B. Широков // Международный сборник научных трудов - Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Выпуск

31 - ДонНТУ, г. Донецк, 2009 г. - С. 3 - 9.

5. Широков, C.B. Исследование влияния килевой качки судна на величину перегрузок на транспортируемом изделии/ C.B. Широков// Материалы II международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (II Козловские чтения). - ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара, 2011 г. - С. 533 - 534.

6. Широков, C.B. Исследование перегрузок на объектах морской транспортировки в зависимости от величины морского волнения/ C.B. Широков// Материалы VI Всероссийской конференции-семинара с международным участием - Научно-техническое творчество: Проблемы и перспективы. - г. Сызрань, 2011 г. - С. 164 - 168.

7. Широков, C.B. Определение требуемых динамических параметров средств транспортирования изделий РКТ для случая морской перевозки/ C.B. Широков// Материалы I международной научно-технической конференции имени Д.И.Козлова - Актуальные проблемы ракетно-космической техники. - ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара, 2009 г. - С. 158 - 159.

Личный вклад автора в совместной публикации [4] заключается в постановке задачи исследования и анализе полученных результатов.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.03 ФГБОУВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол № 6 от 23 апреля 2012 г.)

Формат 60x84 1/16. Уч. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 337. Отпечатано на ризографе. ФГБОУВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной печати 443010, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.

61 12-5/2920

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научно-производственный ракетно-космический центр

«ЦСКБ-Прогресс»

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБЪЕКТЫ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ПРИ МОРСКОЙ ТРАНСПОРТИРОВКЕ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ШИРОКОВ СЕРГЕИ ВИТАЛЬЕВИЧ

Научный руководитель д.т.н., профессор

АБАКУМОВ А.М.

Самара - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................3

1 Анализ состояния проблемы и постановка задачи

исследования....................................................................................9

2 Разработка математических моделей динамических

воздействий на объект.............................................................—...... 19

3 Исследование динамических воздействий

на изделие.......................................................................................47

4 Исследование влияния характеристик средств транспортирования на величину динамического воздействия на транспортируемое

морем изделие РКТ............................................................................81

Основные результаты и выводы........................ ..................................107

Библиографический список..............................................................108

Приложение А. АКТ об использовании результатов кандидатской диссертации.................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. После завершения производства ракет-носителей (РН) одним из важнейших вопросов является ее транспортирование в эксплуатирующую организацию.

Транспортирование блоков РН осуществляется горизонтально в защищающих от внешних атмосферных условий специальных контейнерах, в которых блоки РН, в отличие от большинства других грузов, закрепляются непосредственно к несущей раме без защитной оболочки. На блоки РН при этом воздействуют динамические нагрузки, характер которых отличается от нагрузок, воздействующих на РН в полете.

Проблема сохранения эксплуатационных характеристик РН в процессе транспортирования может решаться либо усилением конструкции последней, что увеличивает ее массу, либо ограничением допустимых перегрузок при ее транспортировании. Ранее транспортировка внутри нашей страны осуществлялась железнодорожным или автомобильным транспортом. Для этих условий проблема исследования нагрузок на транспортируемое изделие ракетно-космической техники (РКТ) достаточно изучена, разработаны и широко используются математические модели, позволяющие расчетными методами определить значения этих нагрузок и провести их анализ.

В настоящее время в связи с расширением географии использования объектов отечественной РКТ возникают ситуации, приводящие к необходимости транспортирования блоков РН на большие расстояния из европейской части России на космодромы Южной и Северной Америк, Юго-Восточной и Восточной Азии, в районы запуска в Индийском Океане. В результате этого возникла необходимость использования морского транспорта для доставки оборудования и изделий РКТ в требуемую точку. Разработка материалов настоящей диссертации осуществлялась в рамках проведения работ по созданию ракетно-космического комплекса для РН «Союз-СТ» в Гвианском Космическом Центре.

В процессе транспортирования морским транспортом динамические воздействия на перевозимое изделие отличаются от динамических воздействий при транспортировании железнодорожным или автомобильным транспортом. Для случая морской перевозки возмущающие воздействия на объект транспортирования передаются посредством воздействия на судно морского волнения, определяемого высотой волн, скоростью их набегания, курсовым углом и другими параметрами.

Для определения динамических воздействий на судно отечественными учеными А. Н. Крыловым,В. В. Семеновым-Тянь-Шаньским, А. М. Васиным, Ю. В. Ремезом, Л. Л. Вагущенко,С. Н. Благовещенским, М. А. Бельговой, Р. В. Борисовым,А. Н. Малышевыми др. было разработано большое количество математических моделей, позволяющих определить его поведение под воздействием волнения воды. Однако модели, разработанные указанными авторами, не учитывают в совокупности динамические воздействия на транспортируемое изделие, зависящее от параметров морского волнения, динамических характеристик судна, упруго-диссипативных свойств транспортируемых изделий и средств крепления изделий на транспортном средстве. Вопрос определения нагрузок на перевозимых судном объектах в настоящее время изучен только для традиционных грузов, в то время как способы закрепления объектов РКТ на судне имеют свои отличия, обусловленные совокупностью конструктивных особенностей, большими габаритами, высокими требованиями по допустимым нагрузкам и другими причинами. В существующих моделях эти вопросы не учитываются, в связи с чем, требуется разработка новых математических моделей, позволяющих определять возникающие нагрузки на перевозимых морским транспортом объектах РКТ с учетом различных факторов, а также осуществлять их исследование, анализ и предъявлять требования к устройствам демпфирования этих нагрузок. Такая постановка задачи определяет актуальность темы настоящей диссертационной работы.

Цель диссертационной работы. Исследование динамических воздействий на объекты ракетно-космической техники, перевозимые морским транспортом, и разработка рекомендаций по их снижению.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ математических моделей морского волнения, разработка и исследование моделей, описывающих перемещения судна при воздействии морского волнения;

- разработка математической модели, для расчета перемещении и ускорений точки размещения средств крепления на судне, возникающих при воздействии морского волнения;

- разработка математических моделей, устанавливающих взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна, с учетом упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на транспортном судне;

- разработка обобщенной математической модели взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие» для исследования динамических воздействий на транспортируемое изделие;

- разработка методики и исследование зависимости перегрузок на изделии от характеристик морского волнения, характеристик судна и средств крепления;

- определение динамических воздействий на конкретный объект транспортирования и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными;

- разработка рекомендаций по снижению динамических воздействий на транспортируемое изделие.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теоретической механики, математического анализа, методы теории колебаний механических объектов, теории автоматического

управления, экспериментальные методы исследования динамических процессов.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

-разработана математическая модель для расчета возникающих при воздействии морского волнения перемещений и ускорений точки размещения элемента крепления изделия на судне, отличающаяся от существующих учетом места размещения транспортируемого изделия и особенностями его закрепления, что позволяет выбрать наиболее рациональное место размещения изделия на судне;

- разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна в отличии от других моделей, учитывающая упруго-диссипативные свойства транспортируемого изделия РКТ и средств его крепления;

- сформирована обобщенная математическая модель взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие», функционально ориентированная на определение динамических воздействий на изделие и отличающаяся от существующих учетом в совокупности параметров морского волнения, характеристик судна, конструктивных особенностей средств крепления и транспортируемого изделия РКТ, что позволяет сформировать требования к демпфирующим свойствам средств крепления для каждого транспортируемого объекта;

- созданы новая методика исследования зависимости перегрузок на изделии от параметров стационарного морского волнения и новая методика формирования требований к параметрам амортизирующих элементов для каждого транспортируемого объекта.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

На основе разработанных математических моделей определены уровни воздействий на конкретный объект транспортирования и выработаны

рекомендации по снижению воспринимаемых изделием динамических нагрузок. Анализ сравнения расчетов с результатами экспериментальных исследований свидетельствует о работоспособности предложенных моделей и методик.

Полученные результаты позволяют обоснованно подходить к выбору и проектированию технических средств, применяемых в процессе морского транспортирования механических объектов РКТ, а также могут быть использованы при проведении проверочных прочностных расчетах блоков РН и разработке испытательных комплексов для экспериментальных исследований динамических воздействий на механическое оборудование в процессе транспортирования.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических и научно-технических конференциях:

-1 международной научно-технической конференции имени Д.И.Козлова «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», г. Самара, 2009 г.;

- X международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2010 г.;

- VI Всероссийской конференции-семинара с международным участием «Научно-техническое творчество: Проблемы и перспективы», г. Сызрань, 2011

г.;

- II международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (ПКозловские чтения), г. Самара, 2011 г.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики, положения и выводы использованы при разработке технологии транспортирования блоков ракет-носителей «Союз-СТ» в Гвианский космический центр.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе, 3 работы в изданиях, определенных перечнем ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из72 наименований. Основной текст диссертации изложен на 114 страницах, диссертация содержит 52 рисунка, 10 таблиц.

Положения, выносимые на защиту:

- обобщенная математическая модель взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие», позволяющая определить динамические воздействия на изделие с учетом параметров морского волнения, характеристик судна и упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на транспортном судне;

- методика и результаты исследования зависимости перегрузок на изделии при стационарном морском волнении для конкретного объекта транспортирования и методика выявления требований к параметрам амортизирующих элементов;

- результаты исследования влияния характеристик судна и упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на динамические нагрузки и рекомендации по их снижению.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

После завершения производства ракет-носителей на заводе-изготовителе цикл их дальнейшей эксплуатации по крупному включает в себя следующие этапы:

- транспортировка их составных частей в ЭО;

- сборка и испытания РКН в ЭО;

- запуск РКН.

Среди этих трех этапов этап транспортирования характеризуется тем, что в большинстве случаев его приходится осуществлять в горизонтальном положении (из-за больших продольных размеров) уже собранных блоков ракет-носителей или двигательных установок РН.

С целью выполнения главной своей задачи — выведения полезной нагрузки с максимальной массой, для ракет-носителей или их составных частей при определении прочностных характеристик объектов основным расчетным случаем нагружения является полет во время запуска в космос космических аппаратов, при котором основные нагрузки действую в продольном направлении вдоль оси полета и довольно короткий промежуток времени.

Этап транспортирования является же случаем, требующим применения дополнительных конструктивных мероприятий обеспечивающих восприятие помимо перегрузок действующих на ракету в полете (вдоль продольной оси) также и довольно значительных перегрузок, действующих на блоки РН при транспортировании (вдоль поперечных осей).

Проблема сохранения эксплуатационных характеристик механических объектов РКТ в процессе транспортирования может решаться двумя способами. Либо усилением конструкции, что снижает массу выводимого полезного груза, либо ограничением допустимых перегрузок при транспортировании. Для обеспечения заданных полетных характеристик механических объектов РКТ

более целесообразно реализовывать второй вариант, соответственно не увеличивая массу объекта РКТ, для обеспечения возможности осуществлять запуски максимальной массы полезной нагрузки. Вместе с тем исторически сложилось, что ранее транспортировка в нашей стране осуществлялась железнодорожным транспортом или автомобильным. Для транспортирования этими видами транспорта данная задача достаточна исследована и для существующих объектов решена различным способами для разных объектов исходя из решаемых задач и экономических факторов. Однако в настоящее время в связи с всемирной глобализацией все чаще и чаще возникают ситуации, приводящие к необходимости транспортирования изделий отечественной ракетно-космической техники на большие расстояния из европейской части России на космодромы Южной и Северной Америк, Юго-Восточной и Восточной Азии, в районы запуска в Индийском Океане. При этом исходя из возможностей существующих транспортных средств для межконтинентальной перевозки транспортирование осуществляется в горизонтальном положении. Так в последнее время к транспортированию морским транспортом возникла необходимость при выполнении таких международных проектов, как «Морской старт», «Союз в ГКЦ», создание стартового комплекса в Южной Корее.

Случай транспортирования морским транспортом применительно к механическим объектам РКТ требует дополнительной детальной проработки в части определения возможных воздействий на объекты.

Морская транспортировка механических объектов ракетно-космической техники обычно осуществляется следующим образом. Изготовленное изделие устанавливается в специальный контейнер и закрепляется в нем с помощью специализированных опор с замками. Данные опоры могут быть как с элементами демпфирования, так и жесткими. Весь объект, включающий в себя спецконтейнер и установленное в нем изделие устанавливается на стандартную промежуточную платформу на пневмоходу, которая затем доставляется на

судно и закрепляется там. Схема установки объект на судне приведена на рисунке 1.1.

Контейнер

Передвижная платформа

Рисунок 1.1

Анализируя схему транспортирования можно определить, что в процессе формирования перегрузки на перевозимом изделии участвуют следующие составные части объекта:

- непосредственно само средство транспортирования - судно;

- стандартная передвижная платформа, на которой устанавливается спецконтейнер;

- опоры спецконтейнера;

- перевозимое изделие.

При этом отличительной особенностью морской перевозки, по сравнению с используемыми ранее традиционными железнодорожным и автомобильным способами доставки объектов, является внешнее воздействие, вызванное морским волнением и то, как преобразуется это волнение перевозящим судном и передается на транспортируемый объект.

Исходя из изложенного, при исследовании представленного выше процесса необходимо рассматривать вопросы влияния морского волнения на судно и транспортируемый им объект.

В исследованной литературе посвященной морскому транспорту вопрос нагружения перевозимого груза представлен следующим образом.

Существует большой объем литературы, посвященный определению законов воздействия морского волнения непосредственно на само судно, однако в этой литературе вопросы воздействия на перевозимый груз затронуты частично и не в каждом источнике.

Закономерности, опи�