Разработка и валидация методики моделирования теплового и деформированного состояния деталей бесплатформенной инерциальной навигационной системы

Аннотация

Обоснована актуальность необходимости достоверной оценки термоупругих деформаций осей чувствительных элементов и их последующей алгоритмической компенсации для повышения точности бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Для этого разработана методика компьютерного моделирования температурных полей бесплатформенной инерциальной навигационной системы средствами программного обеспечения ANSYS. Методика комбинирует несколько методических подходов к подготовке расчетных моделей, используемых для моделирования теплового и деформированного состояния деталей прибора, расчета свободно-конвективной циркуляции воздуха во внутрикорпусном пространстве, а также методический подход к решению задачи газодинамики и теплообмена. Для валидации разработанной методики в лабораторных условиях проведено экспериментальное измерение температуры прибора при самопрогреве в его характерных точках. Установлено удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных, что свидетельствует об адекватности выбранной математической модели и разработанной расчетной схемы для бесплатформенной инерциальной навигационной системы. На основании результатов валидации рекомендовано использовать предлагаемую методику для прогнозирования теплового и напряженно-деформированного состояния деталей бесплатформенной инерциальной навигационной системы и для определения углов отклонения осей чувствительных элементов в различных, в том числе нестационарных, эксплуатационных режимах. Для вычисления углов чувствительных элементов предложен методический подход на основе применения специальных двухузловых конечных элементов и соотношений для углов Брайанта, описывающих взаимное положение в пространстве двух систем координат

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Фролов А.В., Михайлов Ю.В., Смирнов С.В. Разработка и валидация методики моделирования теплового и деформированного состояния деталей бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2022, № 1 (138), с. 32--48. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3933-2022-1-32-48

Литература

[1] Chatfield A.B. Fundamentals of high accuracy inertial navigation. AIAA, 1997. DOI: https://doi.org/10.2514/5.9781600866463.0000.0000

[2] Titterton D., Weston J. Strapdown inertial navigation technology. Institution of Engineering and Technology, 2005.

[3] Lawrence A. Modern inertial technology: navigation, guidance, and control. Mechanical Engineering Series. New York, Springer, 1998. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4612-1734-3

[4] Noureldin A., Karamat T.B., Georgy J. Fundamentals of inertial navigation, satellite-based positioning and their integration. Berlin, Heidelberg, Springer, 2013. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-30466-8

[5] Пешехонов В.Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем. Гироскопия и навигация, 2011, № 1, с. 3--16.

[6] Климкович Б.В., Толочко А.М. Калибровка БИНС навигационного класса точности в инерциальном режиме. XXII Санкт-Петербургская междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. СПб., 2015, с. 250--256.

[7] Savage P.G. Strapdown sensors. Strapdown Inertial Systems --- Theory and Applications. NATO AGARD Lecture Series No. 95. North Atlantic Treaty Organization, Section 2. June. 1978.

[8] Джашитов В.Э., Панкратов В.М., Голиков А.В. и др. Иерархические тепловые модели бесплатформенной инерциальной навигационной системы на волоконно-оптических гироскопах. Гироскопия и навигация, 2013, № 1, с. 49--63.

[9] Громов Д.С. Тепловая защита и термостабилизация волоконно-оптического гироскопа в составе современной бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2014, № 2, с. 137--142.

[10] Menter F. CFD best practice guidelines for CFD code validation for reactor safety applications. European Commission, 5th EURATOM framework programmer. Berlin, GRS, 2004.

[11] Zienkiewicz O.C. The finite element method. McGraw-Hill, 1977.

[12] Patankar S.V. Numerical heat transfer and fluid flow. McGraw-Hill, 1980.

[13] Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., Энергия, 1977.

[14] Schlunder E.U., ed. Heat exchanger design handbook. Hemisphere Publ., 1983.

[15] Sosnovwski M., Krzywanski J., Grabowska K., et al. Polyhedral meshing in numerical analysis of conjugate heat transfer. EPJ Web Conf., 2018, vol. 180, art. 02096. DOI: https://doi.org/10.1051/epjconf/201818002096

[16] Nikravesh P. Computer-aided analysis of mechanical systems. Prentice Hall, 1988.