Проектирование шарикового замка космического аппарата
Проектирование шарикового замка космического аппарата: руководство по CAD/CAE
Данное учебное пособие, разработанное преподавателями МГТУ им. Н.Э. Баумана, посвящено проектированию шарикового замка, применяемого в системах разделения конструкций космических аппаратов. Цель пособия – продемонстрировать особенности CAD/CAE-проектирования, то есть проектирования с использованием компьютерных технологий автоматизированного проектирования (CAD) и инженерного анализа (CAE). Пособие предназначено для студентов, изучающих курсы, связанные с автоматизированным проектированием и динамикой конструкций аэрокосмических систем, а также может быть полезно при выполнении курсовых и дипломных работ. В качестве программной среды используется SolidWorks с пакетами расширения SolidWorks Simulation и SolidWorks Motion.
Описание конструкции и применение
В первом разделе представлено техническое описание шарикового замка, его основные характеристики (масса, момент затяжки, сила срабатывания) и пример применения в космической технике, в частности, для соединения створок головного обтекателя ракеты-носителя. Шариковый замок обеспечивает разъемное соединение элементов конструкций, допускает многократное открытие и закрытие. Конструкция включает корпус, толкатель, пружину, крышку, болт, шарики, обойму, качалку и другие элементы. Описан принцип работы замка, включая два способа открытия: поворотом качалки и поворотом обоймы.
Построение электронной геометрической модели
Второй раздел посвящен созданию электронной геометрической модели (ЭГМ) шарикового замка в SolidWorks. Рассмотрена методика построения ЭГМ отдельных деталей (корпуса, толкателя, крышки, шарика, пружинных колец, болта, качалки, обоймы, шайбы, пружин) с использованием различных инструментов SolidWorks, таких как вращение, вытягивание, вырез, массивы, тонкостенные элементы и построение по траектории. Подробно описана последовательность действий при создании каждой детали, включая рекомендации по определению системы отсчета, созданию вспомогательной геометрии и применению параметрических взаимосвязей для повышения эффективности моделирования. Отдельное внимание уделено созданию ЭГМ сборочной единицы, включая задание сопряжений между деталями и формирование различных конфигураций, соответствующих рабочим состояниям замка. В конце раздела предложены задания для самостоятельной работы, направленные на закрепление полученных знаний.
Расчет динамики открытия замка
Третий раздел посвящен расчету динамики открытия шарикового замка с использованием SolidWorks Motion. Рассмотрены этапы построения электронной расчетной схемы (ЭРС), включающей упрощенную модель сборочной единицы. Описаны способы исключения неиспользуемых деталей и сопряжений, а также настройка граничных условий, таких как контакт между деталями, нагрузка от пружины и закон вращения обоймы. Подробно рассмотрен интерфейс SolidWorks Motion, включая выбор режима работы, настройку временной шкалы, добавление граничных условий и нагрузок, задание параметров контакта, пружин и двигателей. Описаны параметры анализа, настройки интегрирования, управление процессом расчета и анализ результатов, включая построение графиков и анимацию движения. В конце раздела предложены задания для самостоятельной работы, направленные на закрепление полученных знаний.
Расчет шарикового замка на прочность
Четвертый раздел посвящен расчету шарикового замка на прочность с использованием SolidWorks Simulation. Рассмотрены расчетные случаи нагружения и упрощения модели. Описаны этапы построения ЭРС, включая выбор материала, задание граничных условий (закрепление, нагрузка, контакт), настройку параметров контакта, создание сетки и анализ результатов. Особое внимание уделено особенностям задания условий контакта между деталями, включая использование условия "Нет проникновения" и "Набор контактов". Рассмотрены методы визуализации результатов, включая построение эпюр напряжений и перемещений, а также анализ максимальных напряжений. В конце раздела предложены задания для самостоятельной работы, направленные на закрепление полученных знаний.
- ВО - Специалитет
- 24.05.01: Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов
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
Похожие