Список выполненных НИОКР

Прямое конечно-элементное моделирование и исследование пространственного напряженно-деформированного состояния пирамиды радиотелескопа РТФ-32 с целью разработки практических рекомендаций по ремонту (директивной технологии ремонта) РТФ-32 РАО Светлое (2009-2010 гг.)

Область компетенции:
Ключевые слова Математическое и прямое конечно-элементное моделирование, исследование пространственного напряженно-деформированного состояния, радиотелескоп РТФ-32, директивная технология ремонта
Программное обеспечение SolidWorks, Simulia/ABAQUS
Период проведения 2009-2010 гг.

В 2009-2010 гг. сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) НИУ СПбГПУ по заказу Института прикладной астрономии РАН (ИПА РАН) была выполнена НИОКР по теме "Прямое конечно-элементное моделирование и исследование пространственного напряженно-деформированного состояния пирамиды радиотелескопа РТФ-32, с целью разработки практических рекомендаций по ремонту РТФ-32 (Светлое)" (на основе Simulia/ABAQUS-технологии).

Радиоастрономическая обсерватория "Светлое" (РАО "Светлое") ― первый наблюдательный пункт радиоинтерферометрической сети "Квазар-КВО", который был в 1997г. принят в опытную, а в 1999г. - введен в штатную эксплуатацию. Всего в состав сети "Квазар-КВО" входят три обсерватории: "Светлое", "Зеленчукская" и "Бадары", расположенные в различных регионах России. Основным элементом каждой обсерватории является полноповоротный прецизионный радиотелескоп РТФ-32 с диаметром главного зеркала 32 м, который представляет собой уникальную конструкцию и во многих отношениях является оптимальным при осуществлении астрометрических и геодинамических наблюдательных программ.

Радиотелескоп РТФ-32 в РАО
Радиотелескоп РТФ-32 в РАО "Светлое"
 

В 2009 г. в РАО "Светлое" произошла поломка промежуточной опорной конструкции (ПОК) радиотелескопа РТФ-32, в результате которой произошло его "проседание" и заклинивание в положении по углу места 68°. Конструкция приняла устойчивое положение, однако ее дальнейшая эксплуатация была невозможна. Строительство нового радиотелескопа не представлялось возможным, поэтому требовалось провести ремонтные и восстановительные работы существующей конструкции в ее текущем состоянии так, чтобы избежать дальнейшего обрушения и полного демонтажа сооружения.

Основной целью выполнения проекта являлась разработка практических рекомендаций по ремонту конструкции ПОК-пирамиды радиотелескопа РТФ-32, а также последовательности ремонтных мероприятий. Основным методом выполнения работы служил современный численный метод (метод конечных элементов) и мультидисциплинарные наукоемкие компьютерные технологии мирового уровня на основе современных теоретических положений механики деформируемого твердого тела, теории и практики конструирования радиотелескопов.
На первом этапе работы на основе комплекта чертежной документации, предоставленной Заказчиком, разработана полномасштабная пространственная геометрическая (3-D), а в дальнейшем математическая и конечно-элементная (КЭ) модели ПОК-пирамиды радиотелескопа РТФ-32, учитывающие основные конструкционные элементы, их сварные и болтовые соединения. Построение деталей, составляющих геометрическую модель, и сборка модели выполнены с использованием CAD-системы SolidWorks.

Конструктивная схема радиотелескопа РТФ-32 (вид сбоку)

Конструктивная схема радиотелескопа РТФ-32 (вид сбоку)
 Анимация: 3-D геометрическая модель ПОК-пирамиды РТФ-32
Анимация: 3-D геометрическая модель ПОК-пирамиды РТФ-32
 

3-D модель ПОК-пирамиды РТФ-32 с учетом качающейся стойки
3-D модель ПОК-пирамиды РТФ-32 с учетом качающейся стойки
 

3-D КЭ модель ПОК-пирамиды РТФ-32 и области одного из стыковочных узлов
3-D КЭ модель ПОК-пирамиды РТФ-32 и области одного из стыковочных узлов
 

Все многоуровневые, многомодельные и многовариантные КЭ исследования проблем механики конструкции ПОК-пирамиды радиотелескопа РТФ-32, как всей конструкции в целом, так и отдельных узлов, выполнялись с помощью программной системы КЭ анализа Simulia/ABAQUS.

С помощью КЭ исследований было найдено пространственное напряженно- деформированное состояние ПОК-пирамиды под действием нагрузок от собственного веса самой ПОК-пирамиды и опирающихся на нее частей радиотелескопа, выявлены зоны концентрации напряжений в конструкции, определены локальные зоны пластических деформаций. КЭ моделирование выполнялось для положения радиотелескопа по углу места 68 градусов (устойчивое положение конструкции после аварии).

Распределение модуля вектора перемещения (масштаб 100:1)
Распределение модуля вектора перемещения (масштаб 100:1)

Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу ПОК-пирамиды в положении антенны 680  по углу места
Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу ПОК-пирамиды в положении антенны 68° по углу места


На следующем этапе работы было получено деформированное состояние ПОК-пирамиды, максимально близкое к реальному аварийному состоянию радиотелескопа. Проводилось КЭ моделирование возможных сценариев (комбинаций) разрушения и деформирования стыковочных узлов конструкции ПОК-пирамиды РТФ-32. Критерием выбора "реальной" последовательности разрушения являлось совпадение деформированных состояний результата КЭ моделирования и деформированного состояния конструкции ПОК-пирамиды РТФ-32 в РАО "Светлое". В КЭ модели учтено предварительное напряженное состояние большого основания ПОК-пирамиды, возникшее вследствие монтажных операций и ремонтных мероприятий, проведенных за время эксплуатации. Также модель учитывает в качестве начальных локальные разрушения некоторых сварных соединений, которые были выявлены на самом радиотелескопе после аварии.

Места разрушения сварных соединений
Места разрушения сварных соединений
 

Распределение модуля вектора перемещения (масштаб 10:1)
Распределение модуля вектора перемещения (масштаб 10:1)

Анимация: Разрушение сварного шва: деформированное состояние и распределение эквивалентных напряжений

Анимация: Разрушение сварного шва: деформированное состояние и распределение эквивалентных напряжений
Анимация: Разрушение сварного шва: деформированное состояние и распределение эквивалентных напряжений

Далее разработана обширная программа ремонтно-восстановительных работ. Идея заключалась в том, чтобы демонтировать некоторые поврежденные элементы ПОК- пирамиды, блокирующие вращение радиотелескопа. Это сделает возможным поворот антенны из текущего положения по углу места 68° в положение 0° ("в горизонт"). В этом положении будет наблюдаться значительное перераспределение напряжений в конструкции и разгрузка основной фермы, что позволит дополнить конструкцию обновленными элементами взамен демонтированных.

Серией КЭ расчетов подтверждена необходимость усиления критических узлов конструкции ПОК-пирамиды РТФ-32 в текущем положении антенны (угол места 68°), чтобы обеспечить ее устойчивое положение после демонтажа выбранных элементов. Разработаны конструкторские решения по усилению этих элементов и очередность проведения соответствующих работ. Для этого выполнено многовариантное КЭ моделирование поэтапного усиления критических узлов до снятия нагрузки с элементов, предназначенных для демонтажа.


Геометрические модели восстановительных работ разрушенных соединений
Геометрические модели восстановительных работ разрушенных соединений


Геометрические модели усиленных элементов ПОК-пирамиды РТФ-32
Геометрические модели усиленных элементов ПОК-пирамиды РТФ-32

Результаты серии КЭ расчетов показали возможность безопасного демонтажа элементов усиленной конструкции, блокирующих вращение радиотелескопа и последующего перевода антенны из текущего положения 68° по углу места в положение 0° (в "горизонт"). КЭ моделирование подтверждает предположения о перераспределении напряжений и разгрузке основной фермы, что дает возможность установить в конструкцию демонтированные ранее элементы.

На следующем этапе работы произведена серия численных экспериментов по переустановке антенны из положения 0° в положение 90°. Результаты КЭ моделирования демонстрируют существенное снижение уровня максимальных напряжений обновленной ПОК-пирамиды по сравнению с исходной конструкцией после аварии. При переустановке антенны от 0 до 90° с учетом монтажа удаленных ранее связей обеспечивается коэффициент запаса не менее 2.

График изменения эквивалентных напряжений по Мизесу при установке антенны в 0 и 90
График изменения эквивалентных напряжений по Мизесу при установке антенны в 0° и 90°

Данная работа выполнялась в достаточно короткие сроки. Начавшись в декабре 2009 года, к апрелю 2010 радиотелескоп РТФ-32 в РАО "Светлое" уже был полностью восстановлен и обновлен согласно приведенным в работе рекомендациям и вернулся в штатный режим работы.

Стоит отметить, что в результате экспертиз радиотелескопов РТФ-32 в РАО "Зеленчукская" и "Бадары" были обнаружены начальные стадии аналогичных разрушений, как и в РАО "Светлое". По рекомендациям и эскизам чертежей восстановительных процедур поврежденных связей промежуточной опорной конструкции проведены соответствующие работы на радиотелескопах в РАО "Зеленчукская" и "Бадары", что в дальнейшем помогло избежать аварий на этих объектах.

 

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® на основе работы выполненной в 2009-2010 гг.