Database organization for numerical simulation of temperature fields of the elements of spacecraft design.pdf В настоящее время для решения задач, возникающих при проектировании КА,широко используются универсальные пакеты механического и теплового анализаконструкций, такие, как ANSYS, NASTRAN, ABAQUS и другие. При проведениианализа в универсальных пакетах основную сложность представляет созданиерасчетной модели. Данная операция очень трудоемка, так как универсальные па-кеты не позволяют в автоматическом режиме строить конечно-элементные моде-ли для конкретных классов задач. В связи с этим представляется актуальным раз-работка специализированной САПР, предназначенной для анализа конкретныхклассов КА.Интегрированная многоуровневая система (ИМС) «Градиент» разработана дляобеспечения выбора по заданным критериям основных проектных параметровразличных вариантов конструктивно-компоновочных схем (ККС) КА [1]. Выборосуществляется на основе разработанной геометрической модели КА и расчетовдля этой ККС многомерных нестационарных температурных полей и стационар-ных температур элементов конструкции и КА в целом.Система «Градиент» позволяет проектанту на этапе эскизного проектированиясоздать упрощенную геометрическую модель элементов конструкции и выбратьККС конструкции на основе результатов проведенных оценочных тепловых рас-четов.В данной статье приводится описание структуры базы данных (БД), исполь-зуемой для проведения расчетов нестационарных температурных полей в пане-лях солнечных батарей, в приборном отсеке с учетом радиационного теплообменавнутри приборного отсека, внешних тепловых полей, анизотропного механизматеплопроводности по сотовым панелям, в которые могут быть встроены жидкост-ной контур и/или тепловые трубы.1. Структура базы данныхБаза данных системы «Градиент» предназначена для хранения различных ти-пов данных. В системе используется реляционная БД, работа с которой осуществ-ляется через протокол ODBC, поэтому сама БД может быть в любом формате, на-пример MS Access либо MySQL. Целостность данных в БД обеспечивает самасистема «Градиент». Структура БД приведена на рис. 1. В БД содержится:- конструктивно-компоновочная схема КА;- наборы типовых узлов. Типовой узел представляет собой объект предметнойобласти, обладающий некоторыми отличительными свойствами и выполняющийопределенные функции в конструкции КА. В системе «Градиент» типовые узлывыделяются исходя из той роли, которую они играют в математических моделяхрешаемых задач. В настоящее время выделены следующие типовые узлы: сотопа-нель, прибор, тепловая труба, труба жидкостного контура, трубы каркаса солнеч-ных батарей (БС) и др.;- дополнительная информация о типовых узлах: свойства материалов, геомет-рические параметры, чертежи, циклограммы работы приборов, сечения труб;- дополнительные данные для расчетов: параметры орбит, альбедо Земли, па-раметры 70В БД упрощенное описание геометрии типовых узлов, используемое в матема-тических моделях (например, длина и ширина посадочных мест приборов, разме-ры сотопанелей), хранится в параметрическом виде как свойства соответствую-щих типовых узлов. В то же время каждому типовому узлу можно назначить бо-лее подробный чертеж, который будет отображаться в графическом окне и можетиспользоваться конструктором, например, при компоновке КА.2. Пользовательский интерфейс для заполнения базы данныхПользовательский интерфейс системы предназначен для задания исходныхданных, создания компоновочной схемы КА, геометрической модели и парамет-ров функционирования КА и его узлов.В качестве графического ядра используется библиотека OpenCASCADE.Пользовательский интерфейс (рис. 2) представлен набором окон. В окне «Ме-неджер БД» в виде дерева узлов представлена компоновочная схема спутника.Через контекстное меню узлов можно добавлять или удалять типовые узлы илиредактировать имеющиеся. При выборе компоновочного узла появляется окно,показывающее его координаты относительно родительского узла и окно, показы-вающее параметры типового узла. Таким образом, каждое окно предназначенодля отображения информации о текущем компоновочном узле конструкции КА(сотопанель модуля полезной нагрузки (МПН) на рис. 2), которая содержатся вБД ИС «Градиент». В графическом окне отображается трехмерный вид редакти-руемого компоновочного узла и всех его дочерних узлов.Рис. 2. Типовой узел «Панель» с прибором и тепловой трубойИнтерфейс на основе единого графического ядра позволяет:- создавать, модифицировать и удалять типовые элементы конструкции КА;- включать новые узлы в компоновку спутника и изменять их расположение;работать с архивом модулей;- задавать граничные, начальные условия и параметры расчетов;- вызывать расчетные подсистемы и отображать результаты проведенных рас-четов.На рис. 2 показан типовой узел «Панель», на которую поставлен типовой узел«Прибор» и в которую проложен типовой узел «Тепловая труба» в рамках обо-лочки «Градиент», а в правом нижнем углу показаны свойства типового узла«Прибор». В математической модели ИМС используются следующие параметрыприборов:- длина и ширина (м) - задают геометрические размеры посадочного местаприбора;- тепловыделение (Вт) - суммарное тепловыделение прибора, равномерно рас-пределяется по посадочному месту [2];- циклограмма - если указана, то используется для задания переменного вовремени тепловыделения вместо предыдущего параметра.Для задания или редактирования циклограммы прибора вызывается диалог«Выбор и редактирование: Циклограммы» (рис. 3).Рис. 3. Выбор (вверху) и редактирование (внизу) циклограммЦиклограммы хранятся в отдельной таблице БД и могут быть следующих типов:- константа, при этом тепловыделение остается постоянным между точкамициклограммы (рис. 4);- линейная, при этом тепловыделение изменяется линейно между точкамициклограммы;- сплайн, при этом строится кубический сплайн по точкам циклограммы и на-клонам слева и справа;- функция, при этом тепловыделение между точками циклограммы меняетсяпо аналитической заданной функциональной зависимости. Функциональная зави-симость должна быть записана относительно переменной t, с использованиемстандартных математических операций (+, −, /, ., …) и функций (sin, cos, log, exp,sqrt, …).3. Результаты тестового расчетаЧисленно тепловая модель элементов конструкции реализуется методом ко-нечных элементов. Один из результатов расчета нестационарного теплового полядля задачи, описанной в [3], приведен на рис. 4.Рис. 4. Температурное поле отсека КА с системой терморегулированияна основе нерегулируемых тепловых труб в момент t = 6 чРазбиение на конечные элементы обшивок сотопанелей производится такимобразом, чтобы точно учесть границы приборов, радиационных поверхностей иполок тепловых труб. Для моделирования кондуктивного теплообмена в обшив-ках панелей используются двумерные элементы первого порядка. Радиационноеостывание реализуется набором нелинейных двумерных элементов радиационно-го теплообмена. Теплообмен в сотозаполнителе моделируется одномерными эле-ментами, соединяющими соответствующие узлы верхней и нижней обшивок. Ко-нечно-элементная модель тепловой трубы строится из массового элемента, пред-ставляющего собой область пара, набора двумерных элементов контактного теп-лообмена, обеспечивающих теплообмен с обшивкой, и одномерных элементовдля теплообмена в связке труб.Более подробное описание математической модели теплообмена сотопанели сприборами и нерегулируемыми тепловыми трубами, конечно-элементной моделии результаты расчетов приведены в [4].

Скачать электронную версию публикации