Статья: МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ВЕРТОЛЕТА И СУДНА (2026)

Для современного машиностроения характерны растущие требования к эффективности и экономичности производственных процессов. Один из перспективных подходов, отвечающих этим вызовам, - топологическая оптимизация (ТО). Проведен комплексный анализ методов и прикладного применения ТО в технологическом процессе литья под давлением металлов (ЛПД). Рассмотрены фундаментальные алгоритмы ТО для твердых тел (SIMP, BESO) и потоков жидкости (метод переменной пористости Бринкмана), а также вспомогательные методы и алгоритмы оптимизации изменяемого параметра (MMA, OC, SQP). Особое внимание уделено формулировке двух целевых функций для минимизации гидравлических и тепловых потерь в литниковых системах. На конкретных примерах продемонстрирована эффективность ТО для решения практических задач: оптимизации геометрии деталей и проектирования литниково-питающих систем. Показано, что внедрение данных методов позволяет существенно сократить материалоемкость, минимизировать литейные дефекты и повысить ресурс оснастки. В заключении сформулированы нерешенные проблемы и намечены перспективы применения ТО в литье под давлением.

Рассмотрены баллистические особенности организации спуска перспективного пилотируемого транспортного корабля (ПТК) с солнечно-синхронной орбиты создаваемой в настоящее время российской орбитальной станции. Проанализированы условия входа возвращаемого аппарата в плотные слои атмосферы против вращения Земли и дана оценка максимальной равновесной температуры его корпуса. Исследована возможность посадки этого аппарата в одном выбранном районе. Отмечена востребованность определения необходимого количества районов посадки в зависимости от принятой концепции обеспечения безопасности полетов. Приведены результаты баллистических расчетов по решению задачи безопасного завершения полета двигательного отсека ПТК после его отделения от возвращаемого аппарата. Дана оценка необходимой продолжительности автономного полета двигательного отсека после выполнения доразгона до окончательного схода с орбиты и затопления несгоревших элементов конструкции в отведенном районе океана. Отмечены проблемы организации спуска ПТК с солнечно-синхронной орбиты в случае возникновения нештатных ситуаций.

Представлены результаты экспериментально-теоретического исследования структуры течения газа в сопле Лаваля. Обнаружены особенности течения в пристеночной области сверхзвуковой части сопла, приводящие к более низким - примерно в 2 раза ниже рассчитанного по стандартным методикам значениям давления в критическом сечении по сравнению с результатами, полученными расчетным путем. Такое рассогласование, установленное с помощью этих результатов расчета в программном комплексе ANSYSFluent, обусловлено различием параметров течения в ядре потока и в пристеночном слое. Стандартные методики, как правило, основаны на результатах экспериментов и полуэмпирических зависимостях, а это приводит к тому, что получаемые с их помощью зависимости не отражают сложной структуры потока. В то же время из-за наличия трения на стенке сопла и газовых вихрей параметры распределяются в поперечном сечении очень неравномерно. Проведено сравнение стандартных методик, численного решения и эксперимента. Показано, что решение с использованием ANSYSFluent позволяет учесть пространственные особенности течения и оценить параметры не только на оси потока, благодаря чему полученные с его помощью результаты лучше согласуются с результатами эксперимента, чем определенные по стандартной методике.

Рассмотрен космический аппарат с управляемой трансформацией конструкции, обеспечивающей такое силовое взаимодействие с внешней средой, при котором разгрузка инерционных исполнительных органов в системе стабилизации орбитальной ориентации происходит без расхода рабочего тела. Предложен алгоритм адаптивной трансформации конструкции, позволяющий реализовать разгрузку инерционных исполнительных органов и адаптивную компенсацию возмущающего момента с учетом гироскопического взаимодействия каналов крена и курса в условиях резонанса. Для примера приведено решение задачи сброса накапливаемого кинетического момента в каналах крена и курса геостационарного космического аппарата и последующей компенсации возмущающего момента с помощью управления конфигурацией плоских панелей солнечных батарей. Получены аналитические решения для редуцированной динамической модели движения, подтвержденные численным моделированием.

Проведен анализ существующих конечно-элементных моделей сварных и заклепочных соединений, применяемых в расчетах на ударное нагружение. Представлена разработанная усовершенствованная модель соединения на основе балочных элементов, учитывающая влияние скорости деформации на процесс разрушения. Определены и обоснованы параметры модели на основе комплекса экспериментальных данных, полученных при различных скоростях нагружения. Выполнено сравнение преимуществ и недостатков предложенной модели с существующими аналогами. Моделирование проводилось с помощью программного комплекса LS-DYNA. Установлено, что новая модель обеспечивает высокую точность прогнозирования разрушения (погрешность менее 5 %) при значительном сокращении вычислительных затрат. По результатам верификации модель рекомендована для применения в оптимизационных расчетах кузовных структур транспортных средств с целью повышения пассивной безопасности. Для обеспечения требуемой точности необходимо учитывать зависимость прочностных характеристик соединений от скорости деформации и использовать упрощенный критерий разрушения на основе сил и моментов.

Качественное и надежное функционирование экзопротезов, например кисть руки, поможет существенно улучшить качество жизни людей, у которых повреждены или утрачены части тела. Подобное функционирование обеспечивается с помощью системы управления, рассмотренной в данной работе. Моделью экзопротеза пальца служит математическая модель плоского трехзвенного маятника с учетом ограничений на возможные углы поворота каждого звена. Приведенный в работе тросовый механизм состоит из четырех независимых тросов, каждый из которых крепится к соответствующему звену экзопротеза пальца на заданном расстоянии. Каждый трос независимо управляется электрическим двигателем постоянного тока. Регулирование реализуется с помощью пропорционально-интегральных регуляторов (ПИ-регуляторов) по ошибкам заданных значений углового положения каждого звена. Для этого по заданным угловым положениям каждого звена вычисляется необходимая сила натяжения тросов, используемая для создания моментов нагрузки приводов. Настройка системы регулирования осуществляется с помощью генетического алгоритма. Для проверки предложенного подхода было проведено моделирование, показавшее, что рассмотренная система регулирования экзопротеза пальца кисти человека с торсовой конфигурацией принципиально применима.

Известные уравнения, предназначенные для расчета больших перемещений гибких стержней, были проверены на совместимость с законом сохранения энергии. Необходимость в таком контроле возникла из-за появления в расчетной практике ряда задач механики стержней, в которых приходится учитывать осевые деформации (стержни из пластиков, эластомеров, материалов с памятью формы и т. п.). Для проверки проблемных уравнений в статье проведен численный эксперимент - краевая задача о нагружении полукруглой арки сосредоточенной силой была решена стандартными процедурами компьютерного математического пакета. По набору решений для разных значений силы была вычислена работа силы, а для финального положения арки - энергия деформаций. Работа не совпала с энергией, поэтому контролируемые уравнения были признаны ошибочными. Ошибка возникла ввиду неправильного соотношения упругости для изгибающего момента. В проблемных уравнениях не учитывалось то, что кривизна стержня меняется по двум причинам: во-первых, из-за поворотов оси и, во-вторых, из-за деформаций оси. После исправления ошибки скорректированные дифференциальные уравнения успешно прошли проверку на выполнение закона сохранения энергии. Приведены два варианта рекомендуемых для практического применения корректных уравнений плоской задачи механики стержней, учитывающих осевую деформацию.