Разработка и исследование компонентной модели стенда обезвешивания крыльев батарей солнечных при наземных испытаниях приводов их раскрытия
|
Введение 11
1 Обзор литературы 14
2 Объект и методы исследования 25
3 Проектирование компонентной модели крыла батареи солнечной
«Экспресс-2000» в среде Matlab/Simulink/SimMechanics 2 Gen 29
3.1 Проектирование моделей основных элементов кинематических схем
крыльев солнечных батарей 30
3.2 Модель штанги 36
3.3 Корневая панель 38
3.4 Третье шарнирное устройство 40
3.5 Промежуточная и боковые панели 41
3.6 Четвёртое шарнирное устройство 43
3.7 Концевая панель 44
3.8 Итоговая модель 44
4 Проектирование системы продольной и поперечной кареток в составе
подвеса стенда обезвешивания 46
4.1 Подготовка и упрощение модели продольной каретки 46
4.2 Конвертация составляющих продольной каретки в Simulink 49
5 Объединение моделей крыла батареи солнечной и системы продольной и
поперечной кареток 52
5.1 Создание шаблона модели стенда обезвешивания крыла 52
5.1.1 Формирование неполной модели крыла 52
5.1.2 Внесение системы продольной и поперечной кареток 53
5.1.3 Назначение блоков объединённой модели 54
5.1.4 Система слежения 57
5.2 Объединение итоговой модели крыла батареи солнечной типа «Экспресс-
2000», подвеса и следящей системы 60
5.2.1 Внедрение итоговой модели крыла 60
5.2.2 Внедрение системы продольных и поперечных кареток 64
5.2.3 Внедрение следящей системы 70
5.2.4 Внедрение модели троса 72
5.2.5 Внедрение блока расчёта отклонения троса от вертикали 75
5.2.6 Блок сухого и вязкого трения 76
5.2.7 Результаты моделирования объединённой модели стенда
обезвешивания 77
5.3 Расчёт энергетики стенда 82
6 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 89
6.1 Организация и планирование работ 89
6.2 Расчёт сметы затрат на выполнение проекта 91
6.2.1 Расчёт затрат на материалы 92
6.2.2 Расчёт заработной платы 92
6.2.3 Расчёт затрат на социальный налог 93
6.2.4 Расчёт затрат на электроэнергию 94
6.2.5 Расчёт амортизационных расходов 95
6.2.6 Расчет расходов, учитываемых непосредственно на основе
платежных (расчетных) документов 95
6.2.7 Расчёт прочих расходов 96
6.2.8 Расчёт общей себестоимости разработки 96
6.2.9 Расчёт прибыли 97
6.2.10 Расчёт НДС 97
6.2.11 Цена разработки НИР 97
6.3 Оценка экономической эффективности проекта 97
6.3.1 Определение срока окупаемости 97
6.3.2 Оценка научно-технического уровня НИР 98
7 Социальная ответственность 101
7.1 Производственная безопасность 101
7.2 Микроклимат 102
7.3 Освещённость рабочей зоны 104
7.4 Уровень шума на рабочем месте 105
7.5 Уровень электромагнитных излучений 106
7.6 Электробезопасность 108
7.7 Экологическая безопасность 109
7.8 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 109
7.9 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 111
7.9.1 Эргономические требования к рабочему месту 111
7.9.2 Окраска и коэффициенты отражения 113
7.9.3 Особенности законодательного регулирования проектных решений 113
Заключение 115
Список публикаций 116
Список использованных источников 117
1 Обзор литературы 14
2 Объект и методы исследования 25
3 Проектирование компонентной модели крыла батареи солнечной
«Экспресс-2000» в среде Matlab/Simulink/SimMechanics 2 Gen 29
3.1 Проектирование моделей основных элементов кинематических схем
крыльев солнечных батарей 30
3.2 Модель штанги 36
3.3 Корневая панель 38
3.4 Третье шарнирное устройство 40
3.5 Промежуточная и боковые панели 41
3.6 Четвёртое шарнирное устройство 43
3.7 Концевая панель 44
3.8 Итоговая модель 44
4 Проектирование системы продольной и поперечной кареток в составе
подвеса стенда обезвешивания 46
4.1 Подготовка и упрощение модели продольной каретки 46
4.2 Конвертация составляющих продольной каретки в Simulink 49
5 Объединение моделей крыла батареи солнечной и системы продольной и
поперечной кареток 52
5.1 Создание шаблона модели стенда обезвешивания крыла 52
5.1.1 Формирование неполной модели крыла 52
5.1.2 Внесение системы продольной и поперечной кареток 53
5.1.3 Назначение блоков объединённой модели 54
5.1.4 Система слежения 57
5.2 Объединение итоговой модели крыла батареи солнечной типа «Экспресс-
2000», подвеса и следящей системы 60
5.2.1 Внедрение итоговой модели крыла 60
5.2.2 Внедрение системы продольных и поперечных кареток 64
5.2.3 Внедрение следящей системы 70
5.2.4 Внедрение модели троса 72
5.2.5 Внедрение блока расчёта отклонения троса от вертикали 75
5.2.6 Блок сухого и вязкого трения 76
5.2.7 Результаты моделирования объединённой модели стенда
обезвешивания 77
5.3 Расчёт энергетики стенда 82
6 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 89
6.1 Организация и планирование работ 89
6.2 Расчёт сметы затрат на выполнение проекта 91
6.2.1 Расчёт затрат на материалы 92
6.2.2 Расчёт заработной платы 92
6.2.3 Расчёт затрат на социальный налог 93
6.2.4 Расчёт затрат на электроэнергию 94
6.2.5 Расчёт амортизационных расходов 95
6.2.6 Расчет расходов, учитываемых непосредственно на основе
платежных (расчетных) документов 95
6.2.7 Расчёт прочих расходов 96
6.2.8 Расчёт общей себестоимости разработки 96
6.2.9 Расчёт прибыли 97
6.2.10 Расчёт НДС 97
6.2.11 Цена разработки НИР 97
6.3 Оценка экономической эффективности проекта 97
6.3.1 Определение срока окупаемости 97
6.3.2 Оценка научно-технического уровня НИР 98
7 Социальная ответственность 101
7.1 Производственная безопасность 101
7.2 Микроклимат 102
7.3 Освещённость рабочей зоны 104
7.4 Уровень шума на рабочем месте 105
7.5 Уровень электромагнитных излучений 106
7.6 Электробезопасность 108
7.7 Экологическая безопасность 109
7.8 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 109
7.9 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 111
7.9.1 Эргономические требования к рабочему месту 111
7.9.2 Окраска и коэффициенты отражения 113
7.9.3 Особенности законодательного регулирования проектных решений 113
Заключение 115
Список публикаций 116
Список использованных источников 117
Объектом исследования является компонентная модель стенда обезвешивания крыла батареи солнечной типа «Экспресс-2000».
Целью диссертационной работы является разработка компонентной модели стенда обезвешивания, позволяющей проводить отработку раскрытия крупногабаритных космических конструкций, в частности крыла батареи солнечной космического аппарата типа «Экспресс-2000» при наземных испытаниях.
Моделирование осуществлялось при помощи пакета прикладных программ Matlab версии R2016a, с расширениями Simulink/SimScape Multibody, а также САПР Autodesk Inventor и SolidWorks.
Полученные результаты планируется использовать для оптимизации алгоритмов управления подвесов, представляющих собой систему следящих кареток, а также требований к характеристикам применяемых на стенде измерительных и исполнительных устройств.
Степень внедрения: высокая; проект может использоваться в настоящее время, при продолжении дальнейших исследований и доработок.
Область применения: космическая промышленность.
Экономическая эффективность/значимость работы высокая.
Введение
Наземная отработка динамики процессов стыковки, раскрытия и сборки крупногабаритных космических конструкций, предназначенных для работы в условиях невесомости, становится всё более ответственным, трудоёмким и дорогостоящим этапом создания и освоения космической техники.
Для ее успешной реализации необходима разработка и создание стендов обезвешивания, позволяющих имитировать процессы развертывания составляющих космического аппарата, в частности солнечных батарей и крупногабаритных антенн в космическом пространстве за счет компенсации всех сил, действующих на объект: силы трения, гравитационные силы, силы инерции. Это возможно лишь при активных вариантах стендов, представляющих собой замкнутые электромеханические системы, имитирующие независимость движения элементов конструкции от гравитационного воздействия Земли.
Сложившаяся практика проектирования и эксплуатации подобных систем предполагает наличие моделирующей системы, позволяющей проводить анализ работы всего стенда, получать его кинематические и динамические характеристики, оценивать точность и качество имитации внешней среды.
В настоящее время компонентное визуальное моделирование является стандартным подходом в автоматизированном моделировании. Оно в гораздо большей степени ориентировано на удобства пользователя, повышает гибкость модели, позволяет опереться на обширные библиотеки моделей компонентов, использовать наглядный способ задания исходной информации и качественную визуализацию результатов моделирования.
Целью диссертационной работы является разработка компонентной модели стенда обезвешивания, позволяющей проводить отработку раскрытия крупногабаритных космических конструкций, в частности крыла батареи солнечной космического аппарата типа «Экспресс-2000» при наземных испытаниях.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
• проведение литературного обзора по тематике научно-исследовательской работы;
• обработка информации, предоставленной от исполнителей данного проекта, для её дальнейшего внедрения в итоговую модель;
• конвертация BD-моделей, разработанных в САПР частей стенда обезвешивания в среду моделирования Matlab/Simulink;
• создание модели подвесов, представляющих собой систему продольных и поперечных кареток;
• создание визуализации процесса раскрытия итоговой модели стенда обезвешивания.
Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:
• спроектирована модель стенда обезвешивания, представляющая собой системы продольных и поперечных кареток, предназначенная для отработки раскрытия КБС типа «Экспресс-2000»;
• созданы модели объединяющие наработки исполнителей проекта, работавших над созданием отдельных частей модели стенда обезвешивания;
• выполнена визуализация итоговой модели стенда обезвешивания КБС типа «Экспресс-2000».
Полученные результаты планируется использовать для оптимизации алгоритмов управления подвесов, представляющих собой систему следящих продольных и поперечных кареток, а также требований к характеристикам применяемых на стенде измерительных и исполнительных устройств.
Созданная модель стенда позволяет получать необходимую информацию о перемещениях и скоростях движения каждого из элементов КБС, углах раскрытия и угловой скорости каждого ШУ, углах отклонения от вертикали тросов каждой следящей системы кареток, перемещениях и скоростях движения каждой продольной и поперечной каретки.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
• XIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь и современные информационные технологии», Томск, 9-13 ноября 2015 г.
• IV Всероссийском молодёжном Форуме с международным участием «Инженерия для освоения космоса», Томск, 12-14 апреля 2016 г.
• Вторая Российско-Тихоокеанская Научная Конференция по Компьютерным Технологиям и Приложениям (RPC 2017), Владивосток, 25-29 сентября 2017 (неопубликовано)
Часть содержания диссертационной работы отражено в 3 научных работах и докладах, из них доклад на форуме «Инженерия в освоении космоса» размещен в РИНЦ.
Автор выражает благодарность за научные консультации в создании модели стенда обезвешивания к.т.н. А.В. Воронину, д.т.н. Малышенко А.М. и Шпякину И.К.
Целью диссертационной работы является разработка компонентной модели стенда обезвешивания, позволяющей проводить отработку раскрытия крупногабаритных космических конструкций, в частности крыла батареи солнечной космического аппарата типа «Экспресс-2000» при наземных испытаниях.
Моделирование осуществлялось при помощи пакета прикладных программ Matlab версии R2016a, с расширениями Simulink/SimScape Multibody, а также САПР Autodesk Inventor и SolidWorks.
Полученные результаты планируется использовать для оптимизации алгоритмов управления подвесов, представляющих собой систему следящих кареток, а также требований к характеристикам применяемых на стенде измерительных и исполнительных устройств.
Степень внедрения: высокая; проект может использоваться в настоящее время, при продолжении дальнейших исследований и доработок.
Область применения: космическая промышленность.
Экономическая эффективность/значимость работы высокая.
Введение
Наземная отработка динамики процессов стыковки, раскрытия и сборки крупногабаритных космических конструкций, предназначенных для работы в условиях невесомости, становится всё более ответственным, трудоёмким и дорогостоящим этапом создания и освоения космической техники.
Для ее успешной реализации необходима разработка и создание стендов обезвешивания, позволяющих имитировать процессы развертывания составляющих космического аппарата, в частности солнечных батарей и крупногабаритных антенн в космическом пространстве за счет компенсации всех сил, действующих на объект: силы трения, гравитационные силы, силы инерции. Это возможно лишь при активных вариантах стендов, представляющих собой замкнутые электромеханические системы, имитирующие независимость движения элементов конструкции от гравитационного воздействия Земли.
Сложившаяся практика проектирования и эксплуатации подобных систем предполагает наличие моделирующей системы, позволяющей проводить анализ работы всего стенда, получать его кинематические и динамические характеристики, оценивать точность и качество имитации внешней среды.
В настоящее время компонентное визуальное моделирование является стандартным подходом в автоматизированном моделировании. Оно в гораздо большей степени ориентировано на удобства пользователя, повышает гибкость модели, позволяет опереться на обширные библиотеки моделей компонентов, использовать наглядный способ задания исходной информации и качественную визуализацию результатов моделирования.
Целью диссертационной работы является разработка компонентной модели стенда обезвешивания, позволяющей проводить отработку раскрытия крупногабаритных космических конструкций, в частности крыла батареи солнечной космического аппарата типа «Экспресс-2000» при наземных испытаниях.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
• проведение литературного обзора по тематике научно-исследовательской работы;
• обработка информации, предоставленной от исполнителей данного проекта, для её дальнейшего внедрения в итоговую модель;
• конвертация BD-моделей, разработанных в САПР частей стенда обезвешивания в среду моделирования Matlab/Simulink;
• создание модели подвесов, представляющих собой систему продольных и поперечных кареток;
• создание визуализации процесса раскрытия итоговой модели стенда обезвешивания.
Научная новизна основных результатов диссертационной работы состоит в следующем:
• спроектирована модель стенда обезвешивания, представляющая собой системы продольных и поперечных кареток, предназначенная для отработки раскрытия КБС типа «Экспресс-2000»;
• созданы модели объединяющие наработки исполнителей проекта, работавших над созданием отдельных частей модели стенда обезвешивания;
• выполнена визуализация итоговой модели стенда обезвешивания КБС типа «Экспресс-2000».
Полученные результаты планируется использовать для оптимизации алгоритмов управления подвесов, представляющих собой систему следящих продольных и поперечных кареток, а также требований к характеристикам применяемых на стенде измерительных и исполнительных устройств.
Созданная модель стенда позволяет получать необходимую информацию о перемещениях и скоростях движения каждого из элементов КБС, углах раскрытия и угловой скорости каждого ШУ, углах отклонения от вертикали тросов каждой следящей системы кареток, перемещениях и скоростях движения каждой продольной и поперечной каретки.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
• XIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь и современные информационные технологии», Томск, 9-13 ноября 2015 г.
• IV Всероссийском молодёжном Форуме с международным участием «Инженерия для освоения космоса», Томск, 12-14 апреля 2016 г.
• Вторая Российско-Тихоокеанская Научная Конференция по Компьютерным Технологиям и Приложениям (RPC 2017), Владивосток, 25-29 сентября 2017 (неопубликовано)
Часть содержания диссертационной работы отражено в 3 научных работах и докладах, из них доклад на форуме «Инженерия в освоении космоса» размещен в РИНЦ.
Автор выражает благодарность за научные консультации в создании модели стенда обезвешивания к.т.н. А.В. Воронину, д.т.н. Малышенко А.М. и Шпякину И.К.
Результатом выполнения магистерской диссертационной работы является компонентная модель стенда обезвешивания для КБС космического аппарата типа «Экспресс-2000».
Созданная модель стенда позволяет получать необходимую информацию о перемещениях и скоростях движения каждого из элементов КБС, углах раскрытия и угловой скорости каждого ШУ, углах отклонения от вертикали тросов каждой следящей системы кареток, перемещениях и скоростях движения каждой продольной и поперечной каретки.
Полученные результаты планируется использовать для оптимизации алгоритмов управления подвесов, представляющих собой систему следящих кареток, а также требований к характеристикам применяемых на стенде измерительных и исполнительных устройств.
Реализованная визуализация позволяет наглядно продемонстрировать процессы (этапы зачековки шарнирных устройств КБС, колебания крыла после выхода в рабочее состояние), происходящие при раскрытии крупногабаритных космических конструкций.
Проведение данной ВКР осуществлялось с приемлемыми для космической отрасли ресурсозатратами, стоимость которой оценена в 524614 рубля. При выполнении ВКР были соблюдены все требования электро- и пожаробезопасности.
Созданная модель стенда позволяет получать необходимую информацию о перемещениях и скоростях движения каждого из элементов КБС, углах раскрытия и угловой скорости каждого ШУ, углах отклонения от вертикали тросов каждой следящей системы кареток, перемещениях и скоростях движения каждой продольной и поперечной каретки.
Полученные результаты планируется использовать для оптимизации алгоритмов управления подвесов, представляющих собой систему следящих кареток, а также требований к характеристикам применяемых на стенде измерительных и исполнительных устройств.
Реализованная визуализация позволяет наглядно продемонстрировать процессы (этапы зачековки шарнирных устройств КБС, колебания крыла после выхода в рабочее состояние), происходящие при раскрытии крупногабаритных космических конструкций.
Проведение данной ВКР осуществлялось с приемлемыми для космической отрасли ресурсозатратами, стоимость которой оценена в 524614 рубля. При выполнении ВКР были соблюдены все требования электро- и пожаробезопасности.