Проектирование шарикового замка космического аппарата

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

А.С. Попов, Г.А. Щеглов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШАРИКОВОГО
ЗАМКА КОСМИЧЕСКОГО
АППАРАТА

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия по курсу
«Динамика конструкций аэрокосмических систем»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 629.7.02
ББК 39.66
П58

П58

Рецензенты: Б.Б. Петрикевич, А.И. Забегаев

Попов А.С.
Проектирование шарикового замка космического аппарата :
учеб. пособие / А.С. Попов, Г.А. Щеглов. – М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2010. – 45, [3] с. : ил.

На примере проектирования шарикового замка, применяемого в
системах разделения конструкций космических аппаратов, рассмотрены приемы построения электронных геометрических моделей и
электронных расчетных схем для инженерного анализа элементов
конструкций аэрокосмических систем. Приведены указания для самостоятельной работы студентов в пакетах SoildWorks, SolidWorks
Motion и SolidWorks Simulation.
Для студентов 4-го и 5-го курсов, обучающихся по специальности
«Космические летательные аппараты и разгонные блоки».

УДК 629.7.02
ББК 39.66

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ

На текущем этапе развития САПР информация о форме и размерах изделия, а также о свойствах, связанных с его формой и размерами, содержится в электронной геометрической модели (ЭГМ)
[1]. Построение и управление базой данных параметризованной
ЭГМ составляет основу современной идеологии автоматизированного конструирования, реализованной в компьютерных технологиях CAD (Computer Aided Design).
Обоснование технических решений, заложенных в ЭГМ разрабатываемого изделия, осуществляется с помощью математического моделирования расчетных случаев функционирования изделия.
Моделирование выполняется с использованием компьютерных
технологий инженерного анализа (Computer Aided Engineering —
CAE).
Инженерный анализ включает в себя построение базы данных
электронной расчетной схемы (ЭРС) на основе ЭГМ изделия. В
базу данных ЭРС включаются исходные данные, необходимые для
расчета (например, физические свойства конструкционных материалов), начальные и граничные условия (например, нагрузки и условия закрепления), параметры дискретизации (например, расчетные
сетки), параметры используемых численных методов, а также результаты проведенных расчетов. Для каждой ЭГМ, как правило,
создается множество ЭРС, соответствующих различным случаям
нагружения и использующих математические модели различного
уровня упрощения [2].
Построение ЭРС на основе ЭГМ является нетривиальной процедурой, поскольку здесь вводится множество упрощающих допущений, которые требуют внесения существенных изменений в
ЭГМ изделия. Например, требуется исключать некоторые геометрические элементы, поскольку в расчетах чаще всего не рассма
3

тривают такие элементы, как скругления, фаски, мелкие отверстия,
если только они не являются концентраторами напряжений, критически важными в данном расчетном случае. Также часто требуется
добавлять в ЭГМ геометрические элементы, описывающие области задания граничных условий: мест крепления, зон приложения
нагрузок, пятен контакта и пр. Таким образом, идеология построения ЭГМ с учетом связи технологий конструирования и инженерного анализа (так называемых CAD/CAE-технологий) отличается
от идеологии построения ЭГМ, предназначенной исключительно
для выпуска конструкторской документации.
Цель настоящего учебного пособия — проиллюстрировать особенности CAD/CAE-проектирования на примере построения и инженерного анализа ЭГМ шарикового замка, который является важным элементом систем разделения космических аппаратов и аэрокосмических систем.
Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих
курсы «Основы автоматизированного проектирования» и «Динамика конструкций аэрокосмических систем». Оно также может
быть полезно студентам, выполняющим курсовое и дипломное
проектирование. В качестве среды для построения ЭГМ и ЭРС
используется программное обеспечение SolidWorks с пакетами
расширения SolidWorks Simulation и SolidWorks Motion [3—6].
Предполагается, что студенты имеют начальные навыки работы с
данными программами.
Пособие содержит четыре раздела. В первом разделе приведено техническое описание замка и показан пример его применения
в космической технике. Второй раздел содержит эскизы деталей,
методические указания и рекомендации по созданию ЭГМ замка
в SolidWorks. Третий раздел включает методические указания и
рекомендации по расчету динамики раскрытия замка при помощи
программы SolidWorks Motion. Четвертый раздел содержит методические указания и рекомендации по расчету статической прочности замка при помощи программы SolidWorks Simulation. В конце
трех последних разделов приведены задания для самостоятельной
работы студентов. Первые два задания являются базовыми для проведения занятий в компьютерном классе, последние три задания —
дополнительные.

4

1. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ШАРИКОВОГО ЗАМКА

Шариковый замок предназначен для разъемного соединения
элементов конструкций космических аппаратов, таких, как створки
люков, створки головных обтекателей, панели солнечных батарей
в сложенном состоянии на участке выведения и т. п. Допускается
многократное открытие и закрытие замка.
Замок имеет следующие основные технические характеристики:
масса замка — 243 г;
общая толщина соединения, скрепляемого замком, — 10 мм;
эквивалентное резьбовое соединение — болт М8;
момент затяжки гайки — 3−0,2 Н ∙ м;
сила срабатывания замка — не более 80 H на плече 40 мм.
Основой конструкции шарикого замка (рис. 1) служит корпус 1,
который устанавливается в отверстие базовой детали (посадочный
диаметр 20 мм) и фиксируется двумя винтами М6. В корпусе находится толкатель 2, приводимый в действие пружиной сжатия
3. Пружина толкателя опирается на крышку 4, зафиксированную
запорным кольцом 5. Для ограничения хода толкатель имеет упорный поясок А, который в крайнем положении толкателя входит в
контакт с опорной поверхностью Б на корпусе.
Рабочим элементом замка является болт 6, который устанавливается в корпусе со стороны плоскости стыка соединяемых деталей так, что головка болта контактирует с торцом толкателя.
Болт зафиксирован от проворота вокруг оси тремя направляющими шлицами В. В закрытом состоянии смещение болта в осевом
направлении ограничивается контактом опорной поверхности Г с
тремя шариками 7. Шарики размещаются в отверстиях корпуса.
Перемещение шариков в радиальном направлении ограничивается рабочей поверхностью Д обоймы 8, установленной на корпусе.

5