ОПТИМИЗАЦИЯ СБОРКИ «КЕРАМИКА-МЕТАЛЛ» В ПО ЛОГОС ТЕПЛО И DT SEVEN С УЧЕТОМ ТЕРМООГРАНИЧЕНИЙ

Создание современных летательных аппаратов и элементов ракетно-космической техники неразрывно связано с необходимостью обеспечения надежной теплозащиты при одновременном ужесточении требований к массовому совершенству конструкций. Керамические обтекатели, выполняющие функции радиопрозрачных защитных кожухов для антенных систем головных частей ракет и гиперзвуковых летательных аппаратов, функционируют в условиях интенсивного аэродинамического нагрева, способного достигать экстремальных температурных значений.

Соединение термостойких керамических оболочек с металлическими силовыми элементами конструкции (шпангоутами) представляет собой сложную инженерную задачу, обусловленную существенным различием теплофизических и механических характеристик соединяемых материалов. На практике такое соединение преимущественно реализуется с применением термостойких клеевых составов или герметиков. Данный промежуточный слой выполняет ряд критически важных функций: компенсацию различий в коэффициентах термического расширения керамики и металла, обеспечение прочностной целостности узла и сохранение работоспособности при высоких температурах, передающихся от нагретого обтекателя.

Ключевым ограничением в подобных сборках выступает температура клеевого слоя: превышение предельно допустимых значений приводит к деструкции полимерной матрицы, снижению прочностных характеристик и, как следствие, к разрушению узла соединения в целом. Таким образом, обеспечение требуемого теплового режима клеевого соединения является одним из определяющих условий работоспособности всей конструкции.

Разработкой и производством керамических узлов для авиационной и ракетно-космической техники в Российской Федерации занимается АО «ОНПП «Технология» им. А. Г. Ромашина» (входит в Госкорпорацию Ростех) (рис.1). Будучи Государственным научным центром РФ и головной организацией холдинга Ростех в области химической промышленности и композиционных материалов, предприятие обладает уникальными компетенциями в создании наукоемкой продукции из неметаллических материалов.

Целью настоящей работы является разработка подхода к минимизации массы трёхслойной кольцевой сборки «керамика–клей–металл» при наличии ограничения по максимальной температуре в клеевом соединении. Для достижения поставленной цели решаются задачи параметрического моделирования теплового состояния в программном комплексе ЛОГОС Тепло и организации оптимизационного цикла в среде DT Seven. Предлагаемая методика позволяет количественно обосновать выбор толщин керамического и металлического слоев, гарантируя работоспособность клеевого соединения при минимальной массе конструкции.

Объектом исследования является трёхслойная кольцевая конструкция, состоящая из наружного керамического слоя (обтекатель), внутреннего металлического слоя (силовой шпангоут) и соединяющего их промежуточного слоя термостойкого клея. Толщины керамического и металлического слоев рассматриваются в качестве варьируемых параметров и изменяются в заданных диапазонах, соответствующих конструктивным ограничениям, в то время как толщина клеевого слоя принята постоянной.

Граничные условия теплового нагружения задаются следующим образом. На наружной поверхности керамического слоя реализуется совместный конвективный и лучистый теплообмен с окружающей средой. Внутренняя поверхность металлического слоя участвует только в лучистом теплообмене, обеспечивая теплоотвод. Боковые поверхности конструкции, представляющие собой торцы кольца, считаются адиабатическими, что соответствует условиям теплоизоляции или симметрии теплового нагружения (рис.2).

Основным функциональным ограничением выступает предельно допустимая температура клеевого слоя. Данное ограничение определяется термостойкостью применяемого клеевого состава.

Целевой функцией оптимизационной задачи является масса конструкции, подлежащая минимизации. Масса определяется как сумма масс керамического и металлического слоев, зависящих от их толщин и плотностей материалов. При этом масса клеевого слоя в силу его малости и постоянства толщины не учитывается в целевой функции, однако сам слой присутствует в тепловой модели и оказывает влияние на распределение температур. Таким образом, требуется найти такое сочетание толщин керамического и металлического слоев в установленных диапазонах, которое обеспечивает минимальную массу конструкции при безусловном выполнении ограничения по максимальной температуре в клеевом соединении.

Для проведения параметрических исследований создана конечно-элементная модель трёхслойной кольцевой конструкции в программном комплексе ЛОГОС Тепло. С целью минимизации вычислительных затрат, неизбежных при многовариантных расчётах, сетка для каждого слоя построена с использованием линейных гексаэдрических элементов. Расчёт выполняется в нестационарной постановке (рис.3).

Ключевым элементом автоматизации является скрипт на языке Python, который на основе входных данных о геометрии (толщины слоёв) полностью строит расчётную модель в ЛОГОС Тепло: формирует геометрию, генерирует сетку, назначает материалы и граничные условия, запускает решатель в пакетном режиме (рис.4). После завершения расчёта организован автоматический экспорт результатов: в текстовый файл выводится максимальное значение температуры в узлах, принадлежащих клеевому слою, которое служит критерием для проверки ограничения в оптимизационном цикле.

Для проведения автоматизированного поиска оптимальных геометрических параметров трёхслойной конструкции разработанная расчётная модель в ЛОГОС Тепло интегрирована в расчетную цепочку на платформе DT Seven. Построен замкнутый оптимизационный контур, включающий задание исходных данных, формирование ограничений, блок оптимизации и реализацию расчета в ПО ЛОГОС Тепло (рис.5).

Входными параметрами цепочки служат допуск на ограничение по температуре клеевого слоя, общее время моделирования (время режима) и шаг по времени. На первом этапе значение допуска преобразуется в величину предельно допустимой температуры клеевого соединения с переводом в шкалу Кельвина. Полученное число передаётся в блок оптимизации в качестве верхней границы (Upper bound) для контролируемого отклика — максимальной температуры в клеевом слое.

Центральным элементом цепочки является блок DSE (Design Space Exploration), реализующий выбранный метод оптимизации. Внутри композитного блока (Composite) организован вызов внешнего программного обеспечения: здесь размещены блоки, запускающие Python-скрипт, который на основе текущих значений варьируемых параметров (толщины керамического и металлического слоёв) выполняет следующие операции:

• формирует геометрию и сетку в препроцессоре ЛОГОС Тепло;

• назначает материалы и граничные условия;

• запускает расчёт в пакетном режиме с заданными временными параметрами;

• извлекает из результатов максимальную температуру в клеевом слое и вычисляет массу конструкции.

Полученные значения возвращаются в блок DSE, где они используются для проверки ограничения и вычисления целевой функции. На каждой итерации оптимизатор, анализируя отклики, корректирует толщины слоёв и направляет их на новую итерацию через композитный блок. Таким образом, обеспечивается полностью автоматизированный цикл многовариантного анализа и поиска параметров, минимизирующих массу конструкции при безусловном выполнении теплового ограничения.

Разработанная расчетная цепочка в среде DT Seven была запущена в автоматическом режиме. За 50 минут машинного времени выполнено 40 итераций, в ходе которых блок DSE последовательно генерировал новые сочетания толщин керамического и металлического слоев, а Python-скрипт обеспечивал проведение соответствующего теплового расчета в ПО ЛОГОС Тепло и возврат значений максимальной температуры клеевого слоя и массы конструкции.

По завершении оптимизационного цикла были получены оптимальные значения варьируемых параметров: толщина керамического слоя и толщина металлического слоя, при которых масса конструкции была минимальной, а максимальная температура в клеевом соединении не превышала установленное ограничение (с учетом заданного допуска). Таким образом, найденный оптимум обеспечивает минимально возможную массу трехслойной кольцевой сборки при сохранении работоспособности клеевого соединения в условиях эксплуатационного теплового нагружения.

Важно отметить, что в рамках данной задачи рассматривался только тепловой критерий работоспособности конструкции, а напряженно-деформированное состояние и связанные с ним ограничения по допускаемым напряжениям не учитывались. Однако предложенная методика и структура расчетной цепочки допускают расширение постановки задачи: добавление блока прочностного анализа (например, в ЛОГОС Прочность или другом конечно-элементном решателе) может быть интегрировано в существующий композитный блок без изменения общей архитектуры оптимизационного цикла. Это позволит в дальнейшем перейти к многодисциплинарной оптимизации, учитывающей как тепловые, так и механические ограничения.

Список авторов:
АО «ОНПП «Технология» им. А. Г. Ромашина»
Рогов Д. А.
Грачев В. А.

«Адванс Инжиниринг»
Ю.С. Быкова
А.С. Митраков