Рефлектор зеркальной антенны

[ConcursusMMX 4]

1. Данный расчет являлся частью дипломного проекта на тему «Разработка антенного поста земной системы спутниковой связи с диаметром рефлектора 12 метров». Размер рефлектора был продиктован необходимостью увеличения пропускной способности канала связи. С усложнением конструкции стационарных антенн и увеличением их размеров одним из доминирующих факторов, принимаемых во внимание при расчете на прочность и жесткость, является ветер. Но зачастую корректно определить суммарные ветровые нагрузки на рефлектор антенны и на элементы ее конструкции не представляется возможным. Поэтому, для решения данной инженерной задачи было решено использовать технологию FSI (fluid-structure interaction) путем сопряжения программных комплексов FlowVision HPC и SIMULIA/Abaqus .

Цель моделирования состояла в определении НДС конструкции стационарного антенного устройства при действии на него ветрового давления в совокупности с собственным весом, а также недопущении разрушения при действии максимальной нагрузки.

Задачи моделирования:

- Создание КЭ модели в SIMULIA/Abaqus

- Создание расчетной модели в FlowVision HPC

- Проведение совместного расчета

- Анализ полученных результатов

2. Постановка задачи

Общий вид антенного устройства

Исходные данные: масса рефлектора в сборе 8600 кг

Рабочая скорость ветра 25 м/с

предельная скорость ветра 45 м/с

допустимый прогиб рабочей поверхности рефлектора 3 мм

Общий вид КЭ модели

3. Общее количество узлов в модели 55 000. Силовой каркас рефлектора моделировался балочными элементами типа B31. Болтовые соединения между радиальными и кольцевыми частями каркаса моделировались двуузловыми элементами типа CONNECTOR. Панели отражающей поверхности моделировались элементами типа CONTINUUM SHELL, имеющими фиктивный размер по третьему измерению. Это требовалось для того, чтобы провести совместный расчет с FlowVision (так как FlowVision принципиально трехмерная программа). Коническая ступица также моделировалась вышеуказанными элементами.

4. Расчет проводился в два этапа. Сначала были проведены предварительные продувки в FlowVision HPC с разными значениями угла наклона фокальной оси рефлектора к горизонту и произведено сравнение с экспериментальными данными. Было также оценено влияние конической ступицы и силового каркаса на аэродинамику рефлектора. Размер расчетной сетки во FlowVision – около 500 000 ячеек.

Предварительная продувка. Векторы скоростей. Угол наклона 60 градусов.

Данные представлены на рисунках ниже:

кривая черного цвета обозначает осредненные экспериментальные данные для параболоидов диаметром от 2 до 10 метров;

кривая зеленого цвета – данные, полученные в FlowVision для рассматриваемого параболоида;

синего – данные, полученные в FlowVision для рассматриваемого параболоида с силовым каркасом;

красного - данные, полученные в FlowVision для рефлектора в сборе (параболоид + каркас + ступица).

Сх

Сz

Cm

Исходя из этого было выбрано два расчетных случая:

1) Фокальная ось рефлектора находится под 60 к горизонту, скорость ветра 25 м/c (рабочая)

2) Рефлектор в находится в положении «В горизонт», скорость ветра 45 м/c (предельная).

Это обусловлено тем, что ,обычно, антенные устройства подобного рода фиксируют в таком положении при возникновении предельных нагрузок.

Оба расчета проводились путем прямого сопряжения Abaqus и FlowVision. При это в FlowVision не учитывался силовой каркас рефлектора.

НДС конструкции. Положение «В горизонт». Масштабный фактор 350. Ветер слева направо.

Расчетная сетка во FlowVision. Совместный расчет.

Распределение давления по поверхностям рефлектора. Совместный расчет.

4. На основании проведенных расчетов были подобраны параметры конструктивных элементов рефлектора таким образом, чтобы обеспечивались заданные в ТЗ характеристики жесткости конструкции при рабочих скоростях ветра. Также расчет показал, что при воздействии предельной ветровой нагрузки в элементах конструкции не возникает напряжений, превосходящих предел текучести.

Одобрено ConcursusMMX

[a_schelyaev 366]

Редко встретишь такое исполнение дипломного проекта.

5 баллов!

[GOLF_stream 293]

Круто!

Думаю, что эта дипломная работа может дать фору многим профессиональным проектам.

[Борман 2 375]

Очень хотелось бы уточнить у автора (надеюсь он не такой стеснительный) некоторые моменты... Без издёвок, а для саморазвития..

1. Вы провели оба расчета самостоятельно? И прочность, и CFD? В природе очень мало таких специалистов.

2.

Поэтому, для решения данной инженерной задачи было решено использовать технологию FSI (fluid-structure interaction) путем сопряжения программных комплексов FlowVision HPC и SIMULIA/Abaqus.

Столько итераций "между дисциплинами" было сделано?

3.

допустимый прогиб рабочей поверхности рефлектора 3 мм

При таких ограничениях, и при такой большой тарелке, полагаю, достаточно однократной передачи давлений FV -> Abaqus. Думаю, что изменение геометрии ничтожно, и не практически не изменяет поток.

3.

данные, полученные в FlowVision для рассматриваемого параболоида с силовым каркасом;

А в этом случае, как вы преодолели "трёхмерность" FlowVision?

4. Как вы думаете, почему ваши расчеты целиком не легли на эксп. данные ? Наск. я понимаю, то обтекание параболоида - это классика, и решаться должно точно.

5. Насколько тарелка "уходит" от параболы под действием собственного веса ?

6. Ну и с какой силой (в среднем), ветер стремится её стащить ? Просто интересно.

[Автор_Рефлектор_антенны 0]

В общем не знаю, что у нас там с анонимностью, но на всякий случай создал нового пользователя)))

Касаемо вопросов:

1) Оба расчета были проведены самостоятельно. К хорошим CFD-специалистам как и к продвинутым пользователям FlowVision я себя не отношу, поэтому без консультаций специалистов дело не обошлось (диплом все-таки). Хотя эта задача не представляла особых трудностей в плане гидродинамики.

2,3) Да, тут Вы совершенно правы. Так как геометрия антенны не претерпевала значительных изменений, то задачу можно отнести к типу one way coupling. Нагрузки из FlowVision были переданы в Abaqus где и был проведен статический анализ конструкции в совокупности с нагрузкой от собственного веса. Конечно, наибольший интерес представляет динамика антенны (возможен ли ветровой резонанс, нагрузки при вращении зеркала), но в дипломе я ограничился лишь статикой.

4) При предварительных продувках силовой каркас был выполнен одним трехмерным телом (в SolidWorks). Радиальные фермы состояли из тел квадратного сечения 50х50 мм, кольцевые - вроде 40х40. Конечно, расчетная сетка была маловата для того чтобы разрешить каркас, но прошу не судить строго (был ограничен по времени – требовалось успеть еще оставшиеся главы диплома).

5) На счет несовпадения данных расчета и эксперимента. Собственно у меня не было никаких данных по эксперименту (ни чисел Рейнольдса, ни даже глубин экспериментальных параболоидов). Просто на предприятии, где работает мой бывший дипломный руководитель, при расчете ветровых нагрузок пользуются этими графиками, а как и при каких условиях они были получены – для меня так и осталось загадкой.

6) Максимальное отклонение рабочей поверхности рефлектора получилось около 2.3 мм.

7) При угле в 0 градусов (направление ветра совпадает с направлением фокальной оси антенны) сила лобового сопротивления (Fx) получилась около 27 кН.

[Makarrr 15]

На последней картинке с распределением давления по поверхности рефлектора (внутренняя и наружная поверхности) в областях силового каркаса давление практически нулевое. С чем связан такой эффект?

[Автор_Рефлектор_антенны 0]

В том, что давление на подветренной стороне рефлектора околонулевое, виновата, как я думаю, расчетная сетка. Нужно было проадаптировать область за параболоидом чтобы разрешить торообразный вихрь, который там генериться. А так он получился слишком размазанный. Здесь открывается широкая область для исследования (интересно, как влияет каркас на этот самый вихрь), но размерность задачи резко увеличится. Во время дипломных расчетов я не располагал достаточными вычислительными и временными ресурсами.

[Lex TD 8]

Отличная работа

[Борман 2 375]

В том, что давление на подветренной стороне рефлектора околонулевое, виновата, как я думаю, расчетная сетка. Нужно было проадаптировать область за параболоидом чтобы разрешить торообразный вихрь, который там генериться. А так он получился слишком размазанный. Здесь открывается широкая область для исследования (интересно, как влияет каркас на этот самый вихрь), но размерность задачи резко увеличится. Во время дипломных расчетов я не располагал достаточными вычислительными и временными ресурсами.

Да не.. вопрос в том, почему картина давления на тарелке получилась "в клеточку". Полагаю, какие то глюки с передачей давления на балочные элементы без всяких CFD-фокусов.

[a_schelyaev 366]

Это специфика визуализации FlowVision одной из прошлых версий.

Или я не понял вопрос.

[Vova 419]

Мне нравится и я ставлю 5.

Хотя сетка для расчёта прочности вроде грубовата. Я бы тут субмодель использовал.

Немного покопался в инете и нашел расчет ветровой нагрузки для "тарелок".

Возможно можно и проще было сделать, без CFD.

Коэффициент аэродинамичности Cw для такой формы 1.33 выгнутая тарелка.

А у автора какой получился при положении "в горизонт"?

[Автор_Рефлектор_антенны 0]

У меня 1.4 получился. А на экспериментальных графиках, к которыми я сравнивался, 1.2

[mbb 19]

Я тоже ставлю 5

[Борман 2 375]

И от меня 5-

Крохотный минус вот за это

Нужно было проадаптировать область за параболоидом чтобы разрешить торообразный вихрь, который там генериться. А так он получился слишком размазанный. Здесь открывается широкая область для исследования (интересно, как влияет каркас на этот самый вихрь), но размерность задачи резко увеличится. Во время дипломных расчетов я не располагал достаточными вычислительными и временными ресурсами.

Опыт подсказывает, что от сетки, модели турбулентности, да и модели газа вообще зависит не только характеристики вихря, но и кол-во вихрей вообще.

[a_schelyaev 366]

Наверное, для диплома это уже больно много будет тогда.

[Борман 2 375]

Наверное, для диплома это уже больно много будет тогда.

А для школьного реферата - вообще перебор.

[a_schelyaev 366]

Угу, изложение.

:)

[Горыныч 525]

5

побольше бы таких студентов :)

[kozlovskij.oleg 0]

5

Достойно восхищения и подражания!

[sbe-base-ul 1]

1. Данный расчет являлся частью дипломного проекта на тему «Разработка антенного поста земной системы спутниковой связи с диаметром рефлектора 12 метров».

Требования к дипл проекту ниже чем к реальному проекту на изготовление. Тем не менее работа впечатляет. Оценка 5.