Анализ динамики лазерной 2D-резки крупногабаритного объекта космического мусора в невесомости

Научная библиотека Комментарии к записи Анализ динамики лазерной 2D-резки крупногабаритного объекта космического мусора в невесомости отключены

С.В. Аринчев, МГТУ им. Н.Э. Баумана // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2020

Рассмотрены два независимых объекта, совершающих движение по околоземной орбите. Первый из них представляет собой крупногабаритный объект космического мусора, содержащий фрагменты, подлежащие извлечению с целью повторного использования. Второй объект — космический мусоросборщик с лазером, мощность которого достаточна для разрушения любого элемента конструкции объекта космического мусора за бесконечно малое время. Время включения и выключения лазерного луча принято бесконечно малым. Предполагалось, что объекты движутся по близким траекториям, разница скоростей их движения мала. Объект космического мусора защищает себя от резки закручиванием (путем включения двигателей ориентации). Для анализа динамики лазерной резки объекта космического мусора в невесомости применен метод частиц. В 2D-постановке режущий луч заменялся режущей точкой. Главное в работе — не обеспечение соответствия расчетной модели реальному изделию, а формулировка условий резки (деактивации) связей между частицами. В условиях невесомости опоры нет, прицеливание затруднено, поэтому использована хаотичная резка по площадям. Для обеспечения целостности вырезаемых фрагментов мусора их окружали виртуальными окружностями. Положение окружностей отслеживалось. Как только режущая точка попадала внутрь окружности, лазер мгновенно отключался.

Конструкции космических аппаратов выполнены из различных материалов. Важно учитывать, что неодинаковые материалы взаимодействуют с лазерным лучом по-разному. Имеется информация об особенностях лазерной резки армированных углеродным волокном пластиков (CFRP) [6, 7], стеклопластиков [8, 9], сапфировых пластин [10], порошковых металлических материалов [11], стальных пластин [12] и т. п.

При лазерной резке очень важно правильно организовать движение лазерной головки. Описанные в научной литературе (например, в работах 13-15]) исследования движения лазерной головки предполагают наличие твердой устойчивой опоры.

К этому же классу относятся исследования движения рабочих головок роботизированных устройств намотки волокон [16]. Для работы в невесомости такие устройства непригодны. Важные результаты получены в публикациях [17, 18] по изучению движения роботизированных устройств захвата фрагментов КМ.

Рассмотрим динамический процесс лазерной резки в невесомости. Имеются два космических тела: крупногабаритный объект КМ и космический мусоросборщик с лазером. Из объекта КМ лазер вырезает два фрагмента.

Объект КМ и мусоросборщик произвольно вращаются. В этих условиях очень трудно представить себе поверхность резания, образуемую на твердом теле лазерным лучом.

Для решения рассматриваемой задачи лазерной резки целесообразно отказаться от использования понятия твердого тела и воспользоваться методом частиц (рис. 1).

Исторически древние люди понимали, что все в природе состоит из частиц, движущихся поступательно. Но компьютеров не было, посчитать движения отдельных частиц они не могли. По этой причине (от безысходности) они стали рассматривать движение совокупностей частиц, все суммировать, перешли к понятию твердого тела и его интегральным характеристикам типа тензора инерции. Вместе с понятием твердого тела появилось понятие его вращательного движения.

Вращательное движение — это свойство совокупности частиц, движущихся поступательно. Состояние безысходности продолжалось очень долго до появления компьютеров. Тем временем идея вращательного движения твердого тела развивалась. Появились понятия кватернионов [19] и даже бикватернионов [20].

Но для задач анализа динамики лазерной резки в невесомости такой путь тупиковый. Нужно вернуться назад к частицам (указано стрелкой на рис. 1), и задача лазерной резки резко упростится. Тогда лазерная резка — это проблема активации (деактивации, резки) связей между частицами. Вращательное движение исключается из рассмотрения.

В работах, посвященных методу частиц, показано, что имеет место высокая скорость сходимости результатов расчета по их числу. Так, для инженерных расчетов достаточно взять 3000…5000 частиц, а для тестовых задач (таких как рассматриваемая в данной статье) — нескольких десятков частиц.

Процесс прицеливания в невесомости затруднительный. Так, в соответствии с известными теоремами механики при развороте лазерной пушки разворачивается и весь спутник-мусоросборщик. Поэтому здесь предлагается отказаться от прицеливания совсем. Принято, что лазер работает хаотично, по площадям. Задача решена в 2D-постановке. Понятие режущего луча заменено режущей точкой.

Целевые захватываемые фрагменты КМ должны оставаться целыми. Будем считать, что лазер может мгновенно включаться и отключаться. Целевой захватываемый фрагмент КМ окружается пограничной окружностью, которая отслеживается. Как только режущая точка попадает внутрь пограничной окружности, лазер отключается.

Полученные результаты анализа динамики лазерной резки позволяют сформулировать дополнительные требования к конструкции спутника-мусоросборщика.

Уравнения динамики лазерной резки упругой конструкции. Для решения задачи лазерной резки упругой конструкции затруднительно использовать модель твердого тела [19, 20]. Гипотеза непрерывности деформирования не работает, поэтому применен метод частиц.

Частицы — это материальные точки. Они движутся только поступательно, их относительные смещения являются большими. Система — геометрически нелинейна. Связи — упругие. С течением времени связи могут быть де-активированы. Трение не учитывается.

Рассматриваемые модели крупногабаритного объекта КМ и мусоросборщика приведены на рис. 2. Начальные расстояния между частицами

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-dinamiki-lazernoy-2d-rezki-krupnogabaritnogo-obekta-kosmicheskogo-musora-v-nevesomosti/pdf

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top