Прикладные программы для теплового моделирования космических изделий

ВС «СОТР» (ТЕРМ) позволяет автоматизировать процесс построения математических моделей, выбрать схему построения СОТР и провести расчёт теплового режима КА. Программы ВС «СОТР» позволяют определить траекторные параметры КА в условиях полёта, рассчитать лучистый теплообмен конструкций и оборудования КА и их температурные поля, тепловлажностные режимы гермоотсеков, моделировать работу активных систем терморегулирования пилотируемых и автоматических КА.

Пакет ТЕРМ является узконаправленным инструментом, который предназначен для моделирования теплового режима КА. Достоинствами пакета являются возможности:

 - проведения моделирования для условий орбитального полёта вокруг Земли и других планет (Меркурия, Венеры, Марса и Луны) и полёта по межпланетной траектории;

- вычисление угловых коэффициентов, падающих на КА лучистых тепловых потоков от Солнца и планеты, температур расчётных узлов КА.

Основным недостатком пакета ТЕРМ является использование устаревших средств построения конструкции тепловой модели, заключающихся в создании геометрических примитивов путём ручного определения их размеров и ориентации в пространстве. Из этого следует вывод об отсутствии возможности импорта моделей из CAD-пакетов.

Пример пакетов для расчётов и результатов рассчёта:

•VIEWF32.EXE – расчёт угловых коэффициентов методом Монте-Карло;

•ATMFLUX.EXE – расчёт внешних тепловых потоков методом Монте-Карло;

•TEMP32.EXE – расчёт температурных полей.

Результатом работы модуля пакета прикладных программ TEMP32.EXE является массив значений температур для всех расчетных элементов, выдаваемый через заданный интервал времени (рис. 4.9).

Рисунок 4.9 Рассчитанные значения температуры внешней обшивки КА

 а) график изменения температур внешней обшивки ТПСБ «-Z» до выхода на квазистационарный режим, б) график изменения установившихся температур внешней обшивки ТПСБ «-Z» на одном витке

Программный комплекс SolidWorks позволяет разрабатывать изделия любой степени сложности и назначения. Специализированные модули решают задачи на этапе как производства, так и эксплуатации.

На этапе конструкторской подготовки комплекс позволяет решать ряд задач, в частности дает возможность 3-х мерного проектирования отдельных деталей и сборок самых разных степеней сложности, учитывая специфику их изготовления. Программа построена на алгоритме, в ходе которого строится последовательность операций создания детали. В модель заносятся все размеры и геометрические связи между компонентами. Заданные размеры, уравнения и взаимосвязи и определяют форму детали. В любой момент можно изменить размеры, но это не изменит общую идею проекта [14].

В программе SolidWorks на первом этапе моделирования создается эскиз – двумерный профиль или поперечное сечение. После полученному эскизу с помощью определенного конструктивного элемента (вытягивания, выреза и т.д) придается 3-х мерный вид. Каждую деталь образуют наборы эскизов и конструктивных элементов. Отдельные детали компонуют в сборку, задавая необходимые сопряжения.

Таким образом, программа SolidWorks предоставляет собой полный цикл моделирования и позволяет представить модель в наглядном виде: статичном или динамичном. Также с помощью программы можно продумывать дизайн и создавать конструкторскую документацию в соответствии с ГОСТ.

Еще одной полезной возможностью является инженерный анализ прочности конструкций, устойчивости, теплопередачи и др. В программе реализован МКЭ для решения различных инженерных задач, в частности упругих и термоупроугих задач.

SolidWorks Simulation – это программа для анализа конструкций, интегрированная с SolidWorks. Программа SOLIDWORKS Simulation обеспечивает решения по моделированию для линейного и нелинейного статического анализа, анализа частоты (частотный анализ), устойчивости, температуры (термический анализ), усталости, сосуда давления, испытаний на ударную нагрузку, линейного и нелинейного динамического анализа и пр. В свою очередь, SolidWorks — это программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства, в том числе расчета сборки, крепления и т.п.

Термический анализ в SolidWorks Simulation необходим для расчета изменения и распределения температуры в переходном или стационарном режимах, для механизмов переноса тепла, расчета проводимости, конвекции или излучения. Терморасчет в SolidWorks Simulation также позволяет проводить анализ (термическое исследование) механических напряжений, вызванных тепловым расширением.

Пример объекта в программе приведен на рис. 4.10.

Рисунок 4.10 Пример расчёта в SolidWorks Simulation

У тепловых расчетов в SolidWorks есть свои преимущества: наглядность результатов, автоматическое создание отчета анализа, удобство в использовании, исключение ручных расчетов, облегчение интерпретации результатов анализов.

ANSYS - это программный пакет конечно-элементного анализа, решающий задачи в различных областях инженерной деятельности (прочность конструкций, термодинамика, механика жидкостей и газов, электромагнетизм), включая связанные многодисциплинарные задачи (термопрочность, магнитоупругость и т.п).

Он позволяет решать следующие задачи:

1.Построение модели конструкции (геометрия, реологические свойства, краевые условия) или импорт их из CAD1 систем.

2. Изучение реакции конструкции на различные физические воздействия, такие, как воздействие различных нагрузок, температурных и электромагнитных полей, решение задач механики жидкости и газа.

3. Оптимизация геометрии конструкции.

Работа программы ANSYS организована в два уровня:

• начальный уровень (Begin level);

• процессорный уровень.

Работа программы ANSYS начинается с начального уровня. На этом уровне доступны команды работы с файлами (сохранение, удаление, переименование и т.д.). На процессорном уровне доступны несколько процессоров. Каждый процессор предоставляет доступ к различным функциям и командам. Список наиболее часто используемых процессоров и задач, с помощью них решаемых:

•PREP7 - Построение геометрической модели объекта, задание реологических свойств и краевых условий

•SOLUTION - Задание краевых условий, выбор решателя, спецификация решателя, решение.

•POST1 - Обзор результатов решения для стационарного случая или по шагам нагрузки или времени. Средства вывода в файл. Графическая визуализация. Анимация.

•POST26 - Обзор результатов решения в виде графиков результат – шаг нагрузки или результат – время

Comsol Multiphysics –это мощная программа для моделирования и решения всех типов научных и инженерных задач. Эта программа представляет собой интегрированную среду с создателем модели, в котором собраны все данные проекта, что позволяет управлять и добавлять новые функции, используя либо аналитическую (в виде формул в частных производных), либо численную (в виде матриц, графов, алгоритмов и методов оптимизаций) модель и дает полный обзор модели и доступ ко всем функциям.

В программе Сomsol Мultiphysics можно обычные модели внедрить в мультифизическую модель (например в условия безвоздушного пространства), что позволяет анализировать вновь появившиеся физические явления. С помощью встроенных физических интерфейсов (Physics Interfaces) и расширенной поддержки свойств материалов, можно создать модели, описываемые такими разнообразными физическими величинами, как характеристики материалов - плотность, упругость; нагрузки; граничные условия; источники тепла и тепловые потоки. Можно применить переменные, выражения или заданные константы непосредственно в областях твердых и жидких тел, на границах, ребрах и точках, независимо от сетки разбиения. После этого Comsol компилирует систему уравнений, представляющих всю модель.

В COMSOL Multiphisycs можно выполнять различные виды исследований, в том числе:

• Расчет установившегося и зависящего от времени переходного процесса;

• Линейные и нелинейные исследования;

• Исследования собственных частот, типов волн и частотных характеристик.

После выбора типа задачи она описывается в виде дерева проекта в разделе Model Builder, а установки по всем позициям дерева проекта выбираются в разделе Setting. Программа выполняет анализ, начиная с разбиения пространства на сетку, выполняя контроль ошибок с использованием различных программ. Расчеты, выполняемые COMSOL, могут делиться на потоки, выполняться параллельно, для чего можно использовать многопроцессорные системы, могут выполняться в виде пакетов, на отдельных этапах выполняя оптимизацию и параметрические расчеты.

 

Рисунок 4.11 Пример теплового анализа с помощью инструментов модуля теплопередача в Comsol Multiphysics.