Проектирование переходного отсека КА

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

имени академика  С.П. КОРОЛЁВА

(национальный  исследовательский университет)

 

 

Факультет летательных аппаратов

 

Кафедра летательных аппаратов 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА НА ТЕМУ:

«Проектирование переходного отсека КА» 
по дисциплине:

Конструкция и производство космических аппаратов.

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил  студент группы 1507                                            Д.И. Орлов

 

Проверил                                                                                 А.Г. Прохоров

 

 

 

 

 

 

 

Самара 2013

 

РЕФЕРАТ

 

Курсовой  проект

Пояснительная записка:    21 с.,  7 рис.,  3 табл.,  5 источников

 

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ, СТЫКОВОЧНЫЙ  ШПАНГОУТ, КОЭФФИЦИЕНТ БЕЗОПАСНОСТИ, ЭКВИВАЛЕНТНАЯ НАГРУЗКА, СИЛОВОЙ НАБОР, ОКАНТОВКА, ПЕРЕГРУЗКА,  ОБШИВКА, ОТСЕК, ИЛЛЮМИНАТОР

 

Целью курсового проекта - разработка переходного отсека, опираясь на проектировочные и поверочные расчеты.

Объект проектирования – переходный отсек.

В данном курсовой работе произведён расчет переходного отсека. Исходя из заданных нагрузок, подобраны: толщина обечайки, площадь поперечного сечения шпангоутов, количество и диаметр болтов. Разработана конструктивно-силовая схема отсека. Выбрано количество силовых элементов, их формы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Задание 4

Введение 5

1 Выбор материала обшивки 6

2 Проектировочный и поверочный расчет 9

2.1 Определение эквивалентной силы 9

2.2 Проектирование трёхслойных отсеков-монококов 10

2.3 Подбор основных элементов трехслойного отсека-монокока 14

3 Проектирование конструктивных элементов отсеков 16

3.1 Проектирование стыковочных шпангоутов 16

4 Расчет заклепочного соединения 18

5 Расчет клеевых соединений 19

6 Обоснование выбора технологии изготовления и испытаний 22

Заключение 24

Список использованной литературы 25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание

Переходный  отсек.

В курсовом проекте нужно рассчитать конструкцию и разработать чертежи переходного отсека КА, разработать и начертить сборочный чертеж узла и рабочий детали этого узла. Исходные данные указаны в таблице 1.

 

Рисунок 1 – Переходный отсек

 

Таблица 1– Исходные данные для расчета

 

5300	1000	4,4	1,5	2	2	4

 

Введение

Целью нашей курсовой работы является разработка и расчет основных конструктивных элементов переходного отсека.

Переходный отсек КА или РН предназначен для связи составных частей или  отсеков различного функционального  назначения.

Переходный отсек чаще всего  выполняется в виде тонкостенной оболочки с продольным и поперечным силовыми наборами ( в виде открытой ферменной конструкции или в виде ступенчатой конструкции).

Переходный отсек включает силовые  узла связи, оснащается средствами и  конструктивными элементами разделения систем, элементами электро-, пневно- и гидрокоммуникаций, элементами связи РН и КА с наземными средствами подготовки и осуществления запуска.

 

1 Выбор материала обшивки

Сухой отсек  с трехслойной оболочкой ( Рисунок 2) имеет, как правило, наименьшую погонную массу. Элементы оболочки и силовые элементы конструкции отсека могут изготавливаться как из композиционных материалов, так и из металлов.

Трехслойные оболочки с двумя несущими слоями 6,7 и заполнителем 8 отличаются большим  разнообразием, как по используемым материалам, так и по размерам ( толщины несущих слоев, размер заполнителя, размер сотовых ячеек заполнителя и пр.).

В местах крепления шпангоутов 2 в оболочку вклеивают вкладыши 9. Лонжероны 11,12, воспринимающие продольные усилия, образуют каркас, к которому крепятся трехслойные панели (сеч. А-А/1), или являются частью конструкции ( сеч. А-А/2). В силу сложности набора и прессования трехслойных панелей с выступами применяют трехслойные панели с окантовками или кольцами 3 из металла, к которым крепятся шпангоуты и другие силовые элементы.

То обстоятельство, что по краям ( в местах соединения) требуется установка вкладышей, является одним из существенных недостатков таких трёхслойных оболочек.

Особенно  затруднительно конструктивное оформление люков и их окантовок. Кроме того, трехслойная оболочка не допускает  ремонта и доработки, например, установки, дополнительного лючка. Это-еще один недостаток конструкции с трехслойными оболочками.

Для несущих  слоев выбираем материал Органит 7Т.  Для промежуточного слоя – сотовое волокно.

Таблица 2. Свойства конструкционных органотекстолитов*

 

* d=1,3–1,35 г/см3; σ в =650–750 МПа; Е=35 ГПа; σ в.сж =200–220 МПа.

Органопластики серии Органит 7Т –первые конструкционные

органотекстолиты, нашедшие широкое применение в авиационной  технике.

Материалы предназначены для средне- и слабонагруженных элементов

конструкций планера и интерьера самолетов  и вертолетов и впервые были

внедрены  в конструкциях фирмы «Камов»  для изготовления лопастей

несущих винтов, элементов планера, оперения, крыльев и других деталей

вертолета. Для крупногабаритных деталей организован  выпуск листового

материала Органит 7TЛ (листы размером 950×1500 и 950×2450 мм).

Благодаря особенностям упруго-прочностных и  технологических свойств листовых органопластиков их можно использовать для изготовления не только плоских  панелей, но и панелей одинарной  кривизны путем

приклеивания  к сотам изогнутой обшивки (толщиной до 1 мм).

Область эксплуатации органопластиков серии Органит 7Т ограничена

максимальной  рабочей температурой 80°С. Для деталей  с повышенной

 максимальной  рабочей температурой разработаны  органотекстолиты

 Органит 10Т и Органит 16Т, эксплуатация которых допускается при 150 и

180°С соответственно.

В ряде конструкций, испытывающих при эксплуатации сложнонапряженное  состояние, использование органопластиков  может быть

ограничено  из-за их низкой прочности при сжатии. Для таких конструкций

разработаны гибридные органостеклопластики Органит 5ТКС, 6ТКС, 7ТКС

на основе ткани Т-39 из комбинированной нити (арамидные + стеклянные

волокна). Эти  материалы обладают повышенной в 2 раза прочностью при

сжатии и меньшей стоимостью благодаря использованию в их составе более

дешевых стеклянных волокон.

Высокий уровень работы разрушения органотекстолитов  способствует

эффективному  применению этих материалов в качестве ударостойких

экранов различного назначения (Органит 6ТН). Такие кольцевые защитные

экраны диаметром  от 1,5 до 2,5 м, шириной 200–400 мм и толщиной до 60 мм

используются  в конструкциях двигателей Д18Т, Д-436Т, ПС-90А, НК86,

установленных на самолетах Як-40, Ил-86, Ил-96-300, Ту-204 и др. Корпуса

вентиляторов  из Органита 6ТН обеспечивают надежную защиту конструкций

от скоростных осколков лопаток (скорость 300–400 м/с) с  кинетической

энергией 30–50 кДж/м2.

Технологические возможности органотекстолитов  – важный фактор при выборе материала. Препреги органотекстолитов различных марок имеют

широкий диапазон технологических параметров, отвечающих техническим

требованиям к изготовлению конструкций различных  типов. Сухие препреги

Органита 7Т обеспечивают высокую реализацию свойств армирующих

волокон при  изготовлении плоских листов и деталей  одинарной кривизны.

 

 

 

Рисунок 2 Трехслойный отсек-монокок:

1. оболочка; 2-стыковой шпангоут; 3- кольцо; 4- крышка; 5-крепеж;6-наружний слой; 7-внутренний слой;8-заполнитель;9- кольцо-вкладыш;10-крепеж;11,12-лонжероны 
   

2 Проектировочный и поверочный расчет

2.1 Определение  эквивалентной силы

Расчетная схема:

 

                      

 

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 Расчетная схема

Н.

H.

. 
 В процессе полета на корпус ЛА действуют нагрузки , которые приводят к появлению в корпусе внутренних сил-это осевая сжимающая сила N, перезывающая сила Q, изгибающий момент M_изг, которые изменяются вдоль оси корпуса . Продольная сила N и изгибающий момент М_изг воспринимаются продольным набором и частично обшивкой,  перезывающая сила Q – потоком касательных сил, возникающих в обшивке корпуса.

Совместное  действие продольной силы N и изгибающего момента М _изг можно заменить эквивалентной силой Т _экв , для цилиндрической оболочки:

.

При расчете  конструкции эксплуатационные силы умножаются на коэффициент безопасности f, который учитывает неполноту наших знаний нагрузок, механических свойств материалов и конструктивных особенностей, обычно применяют:

.

С учетом коэффициента безопасности получаем:

;

;

.

При проектировочном  расчете несущие способности  конструкции не учитываются.

2.2 Проектирование трёхслойных отсеков-монококов 
Расчет обшивки.

В настоящее  время получили широкое распространение  отсеки трёхслойной конструкции. Такие  отсеки состоят из трёхслойной оболочки, шпангоутов, окантовок люков (см. рис. 4). Трёхслойная оболочка состоит  из двух силовых слоёв, соединенных  между собой лёгким и жёстким  наполнителем.

Силовые слои могут быть металлическими или  стеклопластиковыми, углепластиковыми, органопластиковыми. Заполнитель может быть в виде сот, которые изготавливаются из алюминиевой фольги или стеклоткани, пропитанной связующими. Применяются также заполнителе в виде стеклопластиковых гофров или пенопласта. Соединение силовых слоёв и заполнителя производится обычно с помощью клея.

Трёхслойные конструкции по сравнению с однослойными оболочками имеют значительный выигрыш  в массе.

Трёхслойные оболочки более предпочтительные, чем  вафельные, если выполняется условие:

, где  - плотность заполнителя.

                                                    - плотность несущих слоёв (Органит 7Т).

Порядок проектирования трёхслойной оболочки:

А) Определяем оптимальное значение относительной  толщины заполнителя  по формуле:

Б) Определяем толщину несущих слоёв:

 где  =0,25-0,3- коэффициент устойчивости.

В) Определяем высоту h по формуле:

, принимаем 

Г) Окончательно подбираем толщину несущих слоев по нормальному ряду толщин:

Д) Проверяем  выполнение условия:

Условие прочности выполняется. Определим  запас прочности:

В данном разделе курсовой работы собраны  зависимости для подбора сечений  элементов конструкции сухих  отсеков.

Приведенные далее зависимости учитывают  то, что на отсек могут действовать:

• продольные силы
• перерезывающие силы
• изгибающие моменты

Для проектируемой  конструкции даются зависимости, по которым можно подбирать сечения  в двух зонах:

А- зона, в которой имеются максимальные нормальные напряжения от изгиба и от продольной силы. Касательные напряжения равны нулю.

Б- зона, в которой имеются максимальные касательные напряжения и нормальные напряжения от продольных сил. Нормальные напряжения от изгиба отсутствуют.

Условия прочности трехслойной оболочки:

где - максимальные нормальные напряжения в слоях трехслойной оболочки;

- момент сопротивления сечениях трёхслойной оболочки;

- средний диаметр оболочки;

- толщина наружного слоя;

- толщина внутреннего слоя;

- площадь сечения трёхслойной  оболочки;

- временное сопротивление материала  слоёв оболочки;

- критические напряжения потери  устойчивости слоя оболочки в  ячейке сотового наполнителя;

- диаметр описанной окружности  сотовой ячейки;

- наименьшая толщина слоя.  
Найдем  максимальные нормальные напряжения в слоях трехслойной оболочки:

Проверим соблюдение условий прочности трехслойной оболочки:

                  

Условия прочности трёхслойной оболочки соблюдаются.

Стыки неметаллических  панелей (Рисунок 4.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 Стыки неметаллических панелей

1,2-отсеки,3-наружная обшивка,4-заполнитель,5-внутренняя  обшивка,6-крепеж,7-накладка,8-шпангоут,9-накладка,10-шпангоут,11-вкладыш,12-крепеж,13-вкладыш,14-крепеж,15-накладка,16-крепеж,17,18-вкладыши.

 

 

Неметаллические, в основном трёхслойные, панели стыкуются  с помощью вкладышей из композиционных материалов или из металлов, которые  соединяются с оболочками и заполнителем склейкой. Некоторые стыки лишь технологические  и неразъемные. В разъемных стыках используется болтовое соединение. При  выборе размеров болтов необходимо учитывать  что:

• Материал вкладышей может подвергаться смятию по цилиндрической части болта, под его головкой или под шайбой;
• Болт должен быть подобран так, чтобы резьба не попадала в соединяемый пакет.

2.3 Подбор основных элементов трехслойного отсека-монокока

 

Трехслойной отсек-монокок состоит из следующих основных элементов: несущих слоев обшивки, промежуточного слоя обшивки, металлических накладок ( для крепления шпангоутов, стрингеров и люков), стрингеров, стыковочных и промежуточных шпангоутов, окантовок люков.

Эти элементы соединяются между собой заклепками. В целях обеспечения водонепроницаемости  заклепки устанавливаются на сыром  грунте, для уплотнения швов применяются  герметики.

Обшивки таких отсеков играют малую роли в восприятии усилий и нагрузок, а значит относительно мало теряют устойчивость в клетках каркаса из стрингеров и шпангоутов, но каркас дальше способен воспринимать дальнейшее увеличение нагрузки.  При этом часть обшивки непосредственно примыкающая к стрингеру устойчивости не теряет и сохранять способность воспринимать нагрузки.

Проектирование  отсека будем вести в следующей  последовательности: 
а) По таблицам 1,3,6 ( см. стр. 35-38  [1]) подбираем стрингеры, шпангоуты.

По таблице 5 ( см. стр. 36  [1]) подбираем сортамент стрингеров:

-габариты  листов оболочки: 1500x 3000 мм;

-толщина  слоёв: 

• несущий слой 0,65 мм;
• несущий слой 0,65 мм;
• промежуточный слой 14 мм;

- ПР 102-32: Н= В _стр= 0,025 м;

                      В = 0,025 м;

                      S= δ _стр = 0,0025 м;

                      d = 0,0065 м;

                      R = 0,0025 м;

                      R₁ = 0,00125 м;

                      R₂ =0,003 м;

                      I_х = 0,988 м⁴;

                      I_y = 0,701 м⁴;

                      F₀ = F_cтр= 0,0001348 м²;

б) Из условий  равноустойчивости стрингера определим расстояние между шпангоутами:

где В  _стр, δ _{стр ,} F_cтр – высота, толщина полки стрингера и площадь стрингера.

I_х – момент инерции стрингера относительно оси x( см. рис. 5).

Принимаем а _ш равным ближайшему проектному и длине отсека:

( из конструктивных соображений).

в) Определим  шаг стрингера по формуле:

из конструктивных соображений принимаем:

г) Из условий  равенства критических напряжений потери устойчивости стрингера и  обшивки , прилегающей к стрингеру, находим толщину обшивки по формуле:

• несущий слой 0,65 мм;
• несущий слой 0,65 мм;
• промежуточный слой 14 мм;

,

где t – шаг заклепок крепления стрингера к обшивке,

t=30-40 мм, принимаем:

t= 40 мм.

d₃- диаметр заклепки, обычно 3-4 мм, принимаем d₃= 4 мм. т. о.

 

Из  таблицы 3 подбираем ближайшую расчетному значению толщину обшивки:

 

д) после  окончания расчета и окончательного выбора всех параметров выполним поверочный расчет:

 

,

где 

 где

- редукционный коэффициент

 т. о.

 м².

 

 

 

Рисунок 5 Профиль стрингера

3 Проектирование конструктивных  элементов отсеков

3.1 Проектирование  стыковочных шпангоутов

Проектирование  стыковочных шпангоутов  будем  вести в следующей последовательности:

а) Задаем количество болтов в стыке отсека n_б

б) Определим  внутренний диаметр резьбы болта (шпильки) :

где - предел прочности материала болта.

диаметр расположения болтов,

Тогда

Из конструктивных соображений принимаем стандартный  диаметр болта( шпильки)

в) Определим  толщину полки шпангоута:

где 

- максимальная нагрузка, приходящаяся  на 1 болт.

Здесь D-диаметр расположения болтов,

- предел прочности материала  шпангоута.

B и l_b- определим из рисунка 6.

 

Рисунок 6.

принимаем (из конструктивных соображений) :

г) по ширине полки подбираем из таблицы профиль  стыковочного шпангоута.

ПКЗ-5: H=95 мм;

             В=45 мм;

             S=10 мм;

             S₁=8 мм;

             S₂=2,5 мм;

             R=4 мм;     

             R₁=2 мм;

             R₂=1 мм;

4 Расчет заклепочного соединения

Диаметр заклепки можем определить так:

 

где t=300 мм –шаг заклепки,

 

      

 Величины К, N, - подобраны из конструктивных и технологических соображений.

Т.о. диаметр заклепок:

Согласно  конструктивным представлениям и соображениям прочности заклепочного соединения имеет зависимости:

где t’- шаг заклепок

- диаметр заклепок

n- расстояние( см. рис. 7).

 

Рисунок 7.

Заклепочное соединение расчет которого приведен выше является наиболее тяжелонагруженным, поэтому в данном сечении устанавливаем, не опасаясь за прочность заклепочное соединение с аналогичными значениями.

 

5 Расчет клеевых соединений

В случае отсека с неметаллической оболочкой  стрингеры и промежуточные шпангоуты  связываются при помощи клеевых  соединений. Создание высококачественных синтетических клеев на базе фенольных, эпоксидных и других смол, а также фенолокаучуковых и других композиций явилось основанием для более широкого применения в машиностроении и приборостроении клеевых соединений. Их применяют в тех же конструкциях, что и сварные соединения, но преимущественно тонкостенных, выполненных из листового материала. Клеевые соединения применяют даже в ответственных машинах и сооружениях, например самолетах и мостах. В отличие от сварки склеиванием соединяют детали не только из однородных, но и разнородных материалов, например металлическую деталь с пластмассовой и т. д.

Технология  создания клеевых соединений состоит  из подготовки склеиваемых поверхностей деталей путем очистки их от пыли, обезжиривания и образования  шероховатости зачисткой наждачной  шкуркой или обработкой пескоструйным  аппаратом; нанесения клея на эти  поверхности и сборки деталей  соединения; выдержки соединения при  требуемых давлении и температуре.

 

 

 

а) нахлесточные.

 

б) стыковые по косому срезу.

 

в) с накладками .

Рис. 8 Наиболее распространенные виды клеевых соединений

Клеевые соединения, работающие на срез, по сравнению с  соединениями, работающими на отрыв, более прочны. Поэтому нахлёсточные клеевые соединения получили широкое распространение. Клеевое соединение, работающее на отрыв, рекомендуется конструировать так, чтобы отрыв был равномерным. При неравномерном отрыве для обеспечения надежности предусматривают еще и механическое крепление соединяемых деталей. При создании более прочных соединений применяют комбинированные соединения: клеесварные (с использованием точечной сварки), клеезаклепочные и клеерезьбовые.

Достоинства клеевых соединений:

1) возможности  соединения практически всех  конструкционных материалов в  любых сочетаниях, любой толщины и конфигурации;

2) герметичность; 

3) коррозийная стойкость соединений;

4) не создают концентрации напряжений,

5) не вызывают коробления деталей;

6) надёжно  работают при вибрационных нагрузках;

7) клеевые  соединения дешевле; 

8) клеевые  конструкции при прочих равных  условиях обладают меньшей массой.

Недостатки  клеевых соединений:

1) сравнительно  невысокая прочность, в особенности  при неравномерном отрыве;

2) относительно  невысокая долговечность некоторых клеев («старение»);

3) низкая теплостойкость;

4) необходимость  соблюдения мер по технике  безопасности (установка приточно-вытяжной вентиляции);

5) для большинства  соединений требуется нагрев, сжатие  и длительная выдержка соединяемых  деталей. Прочность клеевого соединения зависит от марки клея, материалов соединяемых деталей, качества подготовки склеиваемых поверхностей деталей, режима склеивания и толщины клеевого шва. Толщина шва, зависящая от вязкости клея и давления при склеивании соединяемых деталей, рекомендуется в пределах 0,05...0,15 мм.

,

где  - толщина склеиваемых соединений,

-допускаемое напряжение на растяжение этих деталей,

- допускаемое напряжение на срез клеевого шва,

При расчете  на прочность нахлесточного клеевого соединения (рис. 8, а) размер нахлестки может быть определен из условия равно прочности соединяемых деталей и клеевого шва:

-расчетное напряжение на срез  в клеевом шве.

 

 

 

 

Таблица 9 - Характеристики эпоксиполиамидного клея ПКС – 171

Марка клея	Прочность при разрыве, МПа		Относительное удли­нение, %		Модуль упругости Е-103, МПа
	293°К	77 °К	293°К	77 °К	293°К	77 °К
ПКС-171	35,0	109,4	695,0	2,4	0,98	4,6

 

Из  исследованных ранее клеев в  настоящее время выпускается  эпоксимети- лолполиамидная пленка ПКС-171 (ТУ 6-05-211-348-83) и предназначен для скле- вания и сварки полимерных пленок с металлами, композиционными материалами. Пленка ПКС-171 была опробована для соединения лейнера с силовой обо­лочкой. На основе эпоксикремнийорганических смол НПО «Платмасс» разработан ряд клеев, предназначенных для использования в криогенной технике. Клеи «Криокс» (OCT В6-06-213-91) и «Криосил» (ОСТ 92-0948-74) предназначены для склеивания металлов, композиционных материалов, полимерных пленок, пенопластов и керамики работающих при температурах от -296°С до +200°С. ЦНИИМ (г. С-Петербург) разработан клей КДС-23. Эти клеи могут быть использованы также для склеивания пенопластов и герметизации их поверхности. Наиболее сложной проблемой является соединение полимерного лейнера с металлическими деталями. Соединение разнородных материалов, имеющих большое различие KJITP, эксплуатирующихся в широком диапазоне температур является трудновыполнимой задачей. Учитывая, что полимерный лейнер содержит в своем составе фторопласт, который является химически инертным материалом, обеспечить надежное креп­ление возможно лишь после подготовки поверхности фторопласта. Традицион­ным способом активации поверхности фторопласта является его физическая об­работка т.е., «коронный разряд» или газоплазменная обработка.

Проведем расчет клеевого соединения:

6 Обоснование выбора технологии изготовления и испытаний

 

Технология  изготовления определяется конструкцией самого отсека и, в конечном итоге , требованиями предъявляемыми к РН.

Существенно повысить технологичность конструкции  позволит рациональное деление отсека на отдельные узлы и подборки.

В нашем  случае обшивка изготавливается  отдельно. Отдельно изготавливаются  стыковочные шпангоуты путем  фрезерования из монолитных тороидальных заготовок, полученных ковкой, и последующей  сваркой по двум кольцевым стыкам.

Гибкой  профили и сваркой по одному или  нескольким стыкам изготавливаются  промежуточные шпангоуты. Соединение деталей трехслойной оболочки толщиной 15,3 мм, целесообразно производить склейкой. Детали шпангоутов соединяются аргонно-дуговой сваркой плавящимся электродом. Возможно применение контактной стыковой сварки оплавлением , электрошлаковой, электронно-лучевой сварки.

Все сварочные  работы автоматизированы и проводятся в специальных приспособлениях , что повышает качество сварных швов и значительно уменьшает величину деформаций.