6027-92214

نشریه مهندسی دریــا سال دوازدهم/ شماره42/ پاییز و زمستان 5931)51-88(
طراحی و بهینه سازی سازه سکوی پرتاب قائم موشک ماهواره بر پرتاب شونده از روی کشتی به روش المان محدود
)فاصله به اندازه فونت نازنین ساده اصغر مهدیان 1، محمد هادی مرتضوی منش 2* ، بهروز شهریاری 3
)فاصله به اندازه فونت نازنین ساده 51( 1 استادیار، مجتمع دانشگاهي مکانیکوهوافضا، دانشگاه صنعتي مالکاشتر، اصفهان؛ a.mahdian@mut-es.ac.ir
کارشناسي ارشد مهندسي هوافضا، مجتمع دانشگاهي مکانیکوهوافضا، دانشگاه صنعتي مالکاشتر، اصفهان، hadi.mortazavi@gmail.com
دانش آموخته دکتری مهندسي هوافضا، مجتمع دانشگاهي مکانیک وهوافضا، دانشگاه صنعتي مالکاشتر، اصفهان؛ shahriari@mut-es.ac.ir
)فاصله به اندازه فونت نازنین ساده 51(
54102010027920

261124710027920

1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

اطلاعات مقاله

چكيده

چكيده

سكوهاي پرتاب، عناصر اصلي مجموعههاي موشكي ميباشند و انجام عملیات اصلي مربوط به آمادهسازي پیش از شلیك و پرتاب موشكها را فراهم ميسازند. شكل سازهي گهواره و ابعاد آن، به بارهاي مؤثر و نیز به اندازه و وزن موشك بستگي دارد. در اکثر سازه گهوارهها دو تیر که توسط اتصالات عرضي به هم متصل شدهاند، به عنوان عضوهاي اصلي ميباشند. بنابراین محاسبه شتابها )نیروهاي( وارده از طرف کشتي به سازه گهواره پرتاب نیز ضروري ميباشد. المان قاب فضایي براي طراحي مورد استفاده قرار گرفته و کد المان محدود براي محاسبه تنش و تغییر شكل در سازه، در نرمافزارمتلب نوشته شده است.
همچنین براي بهینه سازي از روش الگوریتم ژنتیك استفاده شده و کد این الگوریتم نیز در نرم افزار متلب تدوین گردیده است هر یك از کدهاي نوشته شده با مثال هاي حل شده صحت سنجي گردیده، که نتایج مطلوبي را نشان ميدهد. تابع هدف وزن سازه گهواره بوده و جابجایي وتنش تسلیم به عنوان قیود و مشخصات هندسي سطح مقطع، متغییرهاي طراحي ميباشد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 18/55/5932 تاریخ پذیرش مقاله: 15/13/5931

کلمات کلیدي:
طراحي سازه بهینه سازي گهواره پرتاب قائم کشتي
روش المان محدود

Design and Optimization of Vertical Launcher Structure of Launch Vehicle Launching from the Ship Using Finite Element Method
(Times New Roman 11)
Asghar Mahdian , Mohammad Hadi Mortazavi Manesh *, Behrooz shahriari
(Times New Roman 11)
 Assistant professor, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Malek -Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran. A.mahdian@mut-es.ac.ir
M.Sc. Aerospace Engineering, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Malek-Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran. hadi.mortazavi@gmail.com
phD, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Malek-Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran.
shahriari@mut-es.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History: Launching pads are among the essential elements of missiles and their main function Received:  Jun.  is to prepare missiles for launch. Tower launchers dimension and configuration
Accepted:  Nov.  depend on effective loads, dimension and weight of the missile. In the majority of
tower launchers, two bars connected to each other with crossbar connectors are

Keywords: Structure Design
Optimization
Tower Launcher
Ship
Finite Element Method considered to be the basic parts. Therefore, it is essential to calculate accelerations (forces) applied from ship to structure of the tower launcher. Space frame element is used for designing and a finite element code has been written in MATLAB Software to calculate stress and deformities of the structure. A Genetic algorithm which is codified in MATLAB has been used for optimization. All of the written codes have been compared to experimental data and results confirm the accuracy and exactness of the outcome. In this design weight of the tower launcher was the target equation, displacement and yield stress were constraints and geometrical specifications of the cross section were variables.
51
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

– مقدمه
پرتاب موشك ماهواره بر از طریق پایگاه هاي پرتاب موشك دریایي صرفهجویي در مصرف سوخت )با توجه به منطقهه مهورد ههدف ( ونهایتا صرفه جویي در هزینهها را به دنبال خواههد داشهت. مهاهوارههایي که از طول جغرافیایي دیگر پرتاب ميشهوند بهراي قهرار دادنخود برروي مدار استوا، بایهد بخشهي از سهوخت گرانبههاي خهود رامصرف کنند، اما ماهواره هایي کهه از روي اسهتوا پرتهاب مهيشهوندمستقیما در مدار مورد نظر قرار گرفته و ميتواننهد از ایهن سهوختبراي هرچه بیشتر ماندن در مدار، استفاده کننهد . لانه 5 در ادبیهاتانگلیسي به معنهاي آاهاز کهردن و در دانهش مهندسهي هوافضها بههمعناي پرتاب )پرتاب کردن( ميباشد، همچنین پرتهابگر 4 در دانهشهوافضا به وسیلهاي گفته ميشود که به حالت دستي و یها خودکهار،گلوله توپ و موشك را شلیك مهي کنهد. سهكوهاي پرتهاب، عناصهراصلي آرایههاي موشكي ميباشند و انجام عملیات اصلي مربهوط بههآماده سازي پیش از شلیك و پرتاب موشكها را فهراهم مهيسهازند.
57
55
یك ي از ای ن س كوهاي پرت اب، لانچ ر برج ي9 م يباش د. ک اربرد گستردهي ایهن نهوس سهكوي پرتهاب در پرتهاب قهائم موشهكههايبالستیك ميباشد. ميتوان گفت این لانچهر گونههاي از لانچرههايمتحرک است، که موشك نصب شهده روي بهرر را بهه حالهت قهائمنسبت به سطح قرار ميدهد. کشهتي هها هیچگهاه در معهرم امهوارمنظم قرار نميگیرنهد و همیشهه وضهعیت امهوار دریها بهه صهورتنامنظم است. با این حال مطالعه حرکات کشتي در این گونه امهواردرک خوبي از مشخصه و کیفیت اینگونه حرکات فراهم ميآورد که قابل تعمیم به حرکات کشتي در اموار ایرمنظم نیهز مهيباشهد. بهااستفاده از معادلات حرکت، ميتوان اصول تئوري حرکات کشتيههادر دریا را شكل داد و در تحلیل کیفهي و کمهي ایهن حرکهات از آناستفاده نمود]5[. شناور در هنگام دریانوردي، عهووه بهر حرکهت درجهت ناوبري، داراي حرکات نوساني بسیار پیچیدهاي ميباشهد کههاین نوسانات حاصل از اندرکنش با اموار دریها مهيباشهد. بها انهدازهگیريهاي تجربي فراوان به اثبات رسیده است که عناصهر اصهلي درزمینه حرکت شناور در دریا، پاسخ آن به یهك رشهته امهوار مهنظماست. بررسيهاي تئوري نشان ميدهد که شكل ان نوس از اموار بههصورت منحني سینوسي است]4[.سكوهاي پرتاب موشكهاي عمود پرتاب، بهراي نخسهتین بهار در سهالههاي 5394 و 5399 مهیوديطراحي شدند. در سال 5399 اولین پرتهاب موفقیهت آمیهز موشهكسوخت مهایع «سهاخت ام.ک تیخونهاروف» از روي چنهین سهكویيانجام گرفت. در بهار سال 5399 میودي بنا به تصمیم شوراي عالي دفاس در مسكو انستیتوي علمي پژوهشي موشكي، یعني اولین مرکز علمي سهاخت موشهك در شهوروي تاسهید گردیهد. ایهن انسهتیتونیروهاي متخصصي را به کار گرفت که در زمینه تجهیزات موشهكيفعالیت کنند و این امر طراحي موفق موشكهاي جدید، دستگاهههاو سیستمهاي پرتاب را به دنبال داشته است]9[. برون و همكارانش در مقاله خود یك سازه سبك و جدید را بهراي پرتهاب مهاهواره بهرآرس25،طراحي نمودنهد. لانچهر متحهرک جدیهد داراي وزن کمتهرنسبت به لانچر متحرک شاتل فضایي بهود . چهالش اصهلي در اینجهاساخت لانچر متحرک جدید داراي برجي با ابعاد 541 متهر طهول و54 متر مربع بود تا بتواند ماهواره بر آرس5را نگه دارد .)وزن لانچهرمتحرک براي حمل ونقل توسط حمهل کننهده شهني دار،کهه برابهر6 5/7 10 کیلوگرم است داراي محهدودیت بهود(. در لانچرههايمتحرک پیشین اصولا از تیر هاي تیغه اي، مقطع هاي نورد شده، و پلیت هاي تخت استفاده ميشهد در حهالي کهه در طراحهي سهبك، ترکیبي از سازه هاي خاص همراه بها خرپها هها بها مقطهع لولهه اي، صفحات شیار دار و ورق ها اسهتفاده شهده اسهت. تهیم طراحهي بهانیازهایي از قبیل سفتي، فرکهاند ههاي طبیعهي، بارههاي معكهوسشونده، شرایط تكیه گاهي چندگانه نامشخص و طبیعهي و ناشهي ازمح یط پرت اب مواج ه ب ود]2[. محم د حس ین بهرام ي بی دائي و محمدثنایيپور در سال 5983 درمقاله ي خود به بررسهي سیسهتمعملكرد سكوهاي پرتاب از دریا و قابلیت اینگونه سكوها و استخرار الزامات سیستمي طراحي آن پرداخته اند، سهسد سیسهتم دو نهوسموشك عملیاتي پرتاب از دریا را بررسي کرده اند]4[. جان هالند در سال 5351، روش الگوریتم ژنتیك را که یهك روش تسهت و تولیهدنسل ميباشد وبراساس تئوري اصل بقاي شایسهته تهرین هها عمهلمينماید، پیشنهاد نمود. ایشان در روش پیشنهادي خود به ارزیهابيشایستگي اعضاي موجود در فضاي تحقیهق پرداختنهد و سهسد بهااعمال عملگرهاي ژنتیك،بهترین جوابهاي ممكن در فضاي جسهتجورا با توجه به تهابع شایسهتگي پیهدا نمودنهد]7و1[. در سهال 5381 اولین کنفراند در مورد الگوریتم ژنتیهك در پیتزبهورپ پنسهیلوانیابرگزار گردید و از این تاریخ به بعد رساله ها و مقالهه ههاي بسهیاريدر تایید این الگوریتم ارائه شد که ميتوان به بهینهه سهازي پیكهرهخرپا توسط هاجو در سال 5331 بها اسهتفاده از الگهوریتم ژنتیهكاشاره نمود]5[. کریشنامورتي و راجیو در سال 5334 جههت بهینههکهردن خرپ ا از روش الگ وریتم ژنتی ك سهاده گل د ب رپ اس تفادهنموند]8[. کمه و همكهاران درسهال 4115در مقالهه خهود از یهكفرآیند طراحي به همراه الگوریتم ژنتیك، براي بهینهسازي گسسهتهساختارهاي دو بعدي استفاده کرده اند. تهابع ههدف مهورد اسهتفادهوزن کلي سازه بوده. در تحقیق مهذکور ، الگهوریتم ژنتیهك براسهاس برنامه آنالیز اجزاء محدود طراحي شده است. خصوصیات خاص ایهنبرنامه شامل، متغییر هاي طراحي گسسته،یك قالب)شكل( باز براي تعریف قید ها، چهك کهردن طهر هها بها اسهتفاده از تاییدیهه ههايموسسه آمریكایي)AISC-ASD(، کهه فرآینهدGA پیشهنهاد شهدهتوانسته تاییدیهAISC-ASD و قیدهاي سهاخت را بدسهت آورد درحالي که وزن کلي سازه را حهداقل مهينمایهد ]8[. جهرو و آنتونیهو بلودر سال 4117 یك الگوریتم ژنتیك نخبه گرا ابداس نمود نه د،و راه حلهاي تجاري متداول را براي بهینه سازي ساختار هاي پیچیده با الگوریتم خود مقایسه نمودند. بعد از تایید اعتبهار آن بهرروي سهازههاي دوبعدي، از این الگوریتم براي سهازه ههاي سهه بعهدي جههتبهینه نمودن وزن سازه استفاده نمودند، و با توجه به نتهایج بدسهتآمده و مقایسه آن با نتایج قبلي به این نتیجه رسیدند که الگهوریتمژنتیك نخبه گرا براي بهینهه سهازي سهازه ههاي سهه بعهدي قابهلاطمینان ميباشهد ]3[. الگهوریتم ژنتیهك در انهواس مختلهف مسهائلپیچیده مورد استفاده قرار گرفته وهمچنین از این الگهوریتم بهرايمسائلي با متغییر هاي پیوسته و گسسته به کار ميرود]51[. تایفون وهمكارانش درسال 4155در مقالهي خود بها اسهتفاده از انهواس کهدگذاري مانند کدگذاري مقدار و کد گذاري باینري براي بهینه سازي پیوسته و گسسته با استفاده از الگوریتم ژنتیك پرداختند،که از نهرمافزار فورترن1 براي نوشتن برنامه و از تهنش و جابجهایي بهه عنهوانمحدودیت، براي به حداقل رساندن وزن سازه خرپا استفاده نمودند .همچنین به علت وجود مجموعه اي پیوسته از متغیر هاي طراحهي ، چالش فضاي تحقیق وجود دارد،که توسط یك مكانیسهم بها عنهوانرهیافت برد محدود بر این چالش البه نمودنهد. همچنهین بهه ایهننتیجه رسیدند در این نوس کدگذاري مقدار، نیاز به حافظه کهامسیوتر و همچنین زمان مورد نیاز کمتر است و هرگز کروموزم مناسب را از بین نميبرد لذا دریافتند که جمعیت اولیه یك عامل مهم بهراي راهحل نهایي است، بطوري که اگر جمعیت اولیه از افراد خوب تشكیل شوند، زمان رسیدن به راه حهل نههایي کهاهش مهيیابهد ،کهه روش رهیافت برد محدود از همین ایده ناشهي مهيشهود ]55[. گنهدمي وهمكارانش در سال 4159 در مقاله خهود یهك مهدل تجربهي بهرايپیش بیني مقاومت برشي تیرهاي تیغه ارائه نمودند. یهك الگهوریتمجستجوي ترکیبي ژنتیك و تبرید تدریجي بهه نهام ژنتیهك-تبریهدتدریجي )GSA(، به منظور توسهعه روابهط ریاضهي بهین دادهههايتجربي استفاده شده است. وي با اسهتفاده از ایهن الگهوریتم، تها نههپارامتر مكانیكي و هندسي مربوط به استحكام برشي تیرههاي تیغههبه دست آوردهاست. نتایج کار او و همكارانش نشهان داد، کهه مهدل تجربي ارائه شده به درستي قادر به ارزیابي استحكام برشي تیرههايتیغه اي ميباشد، وي اعتبار مدل ارائه شده را با مقایسه نتایج خهودبا نتایج به دستآمهده از موسسهه بهتن آمریكها )ACL( و موسسههاستاندارد کانادا )CSA( مورد بررسي قرار داد. معادله به دست آمده بسیار سهاده و شهامل چنهد پهارامتر مهوثر اسهت]54[. هسنسهبي وهمكارانش در سال 4151 در مقاله خود با استفاده از الگوریتمههايژنتیك، شبیه سازي تبرید تدریجي، استراتژي تكامل، بهینهه سهازيگروهي ذرات، بهینه سازي کلوني مورچهها، در پهي بهبهود طراحهيبهینه براي اندازه واقعي قابههاي صهلب فهولادي بهه ههم پیوسهتهميباشند. وي در نهایت به این نتیجه رسید که با توجه به همگرایي سریع و خطي به سمت مطلهوب در مراحهل اولیهه الگهوریتم شهبیهسازي تبرید تدریجي، این الگوریتم ميتواند بهه عنهوان گزینهه دوماین مقایسه در نظر گرفته شود]59[.

– المان قاب فضایی
یك المان قاب فضایي میلهاي مستقیم بها سهطح مقطهع یكنواخهتاست کهه قهادر بهه مقاومهت در برابهر نیروههاي محهوري و برشهي،ممانهاي خمشي حول دو محور اصلي واقهع در صهفحه مقطهع آن وممان پیچشي حول محور مرکز ثقل آن مهي باشهد . ماتريس خاي المتن قتب فضتس داراي ابعتد 21×21 اخت. با بررسيهاي انجام گرفتههدر مورد سازه گهواره پرتاب، المان قاب سه بعدي بهراي ایهن سهازهانتخاب شده است. علهت در نظهر گهرفتن درجهه آزادي پهیچش درسازه، حرکت یاو در کشتي ميباشد که در سازه گهواره پرتاب ایجاد پیچش ميکند]51[.

1-تشریح فيزیک مسئله
سازهي گهواره و ابعاد آن بهه بارههاي مهؤثر و نیهز بهه انهدازه و وزن موشك بستگي دارد. گهواره باید سبك و مستحكم بهوده و ابعهاد آن حداقل مقدار ممكن باشد. سازهي گههواره و نحهوه ي قرارگیهري آن روي ماشین نصبکننده نباید ابعاد کلي ماشین نصهب کننهده را بهه میزان زیادي افزایش داده و ارتفاس مرکهز ثقهل آن را بهالا ببهرد. بهههمین علت مناسبتر اسهت کهه گههواره در وضهعیت ایرکهاري بههصورت افقي و در حد امكان در پایینتهرین موقعیهت ارتفهاعي قهرارگیرد. در اکثر سازههاي گهوارهها دو تیر که توسط اتصالات عرضهي به هم متصل شدهاند، به عنوان عضوهاي اصلي حامل ميباشند]9[.
در این تحقیق شكل کلي لانچر موشك اسكاد بهي 7 در نظهر گرفتههشده است .در شكل 5 سازه اصلي گهواره و گره ههاي اصهلي نشهانداده شده است.

شكل1- سازه گهواره پرتاب

شرایط بارگذاری
1268732112263

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

Downloaded from marine-eng.ir at 17:06 +0330 on Monday October 30th 2017

بارهاي وارده بر سازه گهواره در حالت آماده سازي موشهك عبارتنهداز نیروي وزن موشك و نیروهاي )شتابهاي( وارده از طرف کشتي ،نیرويجك بالابر گهواره ونیروهاي )شتاب هاي( دینامیكي حاصل ازبالا رفتن گههواره مهي باشهد . نیروهها و گشهتاورهاي وارده از طهرفکشتي به گره ي 45 وگره ههاي 8و55و نیهروي جهك بصهورت بهارمتمرکز به گره 41 وارد مهي گهردد. همچنهین نیروههاي دینهامیكيحاصل از بالا رفتن گهواره بصورت بار گسترده بر تمام گرههاي سازه وارد ميگردد. لازم به ذکر است که گهواره پرتاب موشك اسهكاد بهي در قسمت جلویي آن داراي یهك قسهمت الاکلنگهي مهي باشهد ، کههبالشتك جلویي بر روي آن قرار دارد که این قسهمت حهذف شهده وبارهاي وارده بر بالشتك جلویي به قسمت اتصال الاکلنگهي و سهازهاصلي گهواره )گره هاي 8 و55( وارد ميگردد.

شرایط تكيه گاهی
قسمت اتصال گهواره به زمین یعني گهره ههاي 5و51 داراي شهرایطتكیهگاهي لولایي ميباشند و قادرند حهول محهور Z دوران نماینهد.گره هاي 5و57 در واقع داراي تكیه گاهي ميباشهند کهه بهه سهازهاجازه جابجایي در راستاي منفي Y را نميدهند.

3 – محاسبه حرکات و شتاب های کشتی و انتخاب آن
از آنجا که سازه طراحي شده باید عملیهات شهلیك موشهك از رويکشتي را انجام دهد، بنابراین محاسبه شتابهها )نیروههاي( وارده ازطرف کشتي به سازه گهواره پرتاب نیز ضروري ميباشد. بهراي ایهنمنظور از استاندارد BV که مربوط به شتابههاي کشهتي مهيباشهداستفاده شده است. لازم به ذکر است که در مورد شهتاب ههاي واردهاز طرف کشتي، ماکزیمم این شتابها در نظر گرفته شده اسهت . بهاتوجه به ویژگيهاي کشهتيههاي فلههبهر و فضهاي خهالي موجهود وسرعت پایین، این نوس کشتي براي پرتاب موشك اسكادبهي انتخهابشده است. از بین کشتيهاي فله بر موجود سعي شهده کشهتي کههداراي کمترین تغییر در میزان آبخور و نیز کمتهرین پریهود عرضهي)پریود رول( را دارد انتخاب گردد.

جدول 1 – مشخصات کشتی مورد نظر



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

پاسخ دهید