avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2026-10-2-76-85LDEEZNavroen-177Research ArticleАВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКАAVIATION AND ROCKET-SPACE ENGINEERINGЧисленно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния разъемных соединений ракетных двигателейNumerical and experimental research of the stress-strain state of detachable joints of rocket enginesКривунК. В.KrivunK. V.

Кривун Кирилл Владимирович – инженер.

125438, Москва, ул. Онежская, 8

Kirill V. Krivun - Engineer, JSC SSC “Keldysh Research Center”.

Onezhskaya St., 8, Moscow, 125438

krivun0200@mail.ruПещероваА. А.PescherovaA. A.

Пещерова Анастасия Алексеевна – инженер.

125438, Москва, ул. Онежская, 8

Anastasia A. Pescherova - Engineer, JSC SSC “Keldysh Research Center”.

Onezhskaya St., 8, Moscow, 125438

peshcherova.nastena@mail.ruЛазареваА. А.LazarevaA. A.

Лазарева Арина Александровна - аспирант кафедры 203.

125993, Москва, Волоколамское шоссе, 4

Arina A. Lazareva - Postgraduate of the 203 Department, Moscow Aviation Institute (National Research University).

Volokolamskoe Rd., 8, Moscow, 125993

a.laz19@bk.ruАО ГНЦ «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша»РоссияJSC SSC “Keldysh Research Center”Russian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation2026120720261027685Copyright © Кривун К.В., Пещерова А.А., Лазарева А.А., 20262026Кривун К.В., Пещерова А.А., Лазарева А.А.Krivun K.V., Pescherova A.A., Lazareva A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/177

Работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния ответственных разъемных соединений (шпоночных и резьбовых) твердотопливных ракетных двигателей. Целью работы является исследование напряженно-деформированного состояния ответственных узлов в ракетной технике (на примере резьбового и шпоночного соединений) на основе сравнительного анализа результатов численного моделирования в ANSYS и натурного эксперимента методом фотоупругости.

Для обеспечения высокой надежности конструкций предложен комплексный подход, сочетающий конечно-элементное моделирование в ANSYS и экспериментальную валидацию поляризационно-оптическим методом. Научная новизна заключается в получении уточненных данных о напряженном состоянии исследуемых узлов за счет внедрения алгоритма «виртуальной фотоупругости» для прямой количественной валидации расчетов. В качестве эффективного технологического инструмента для создания оптических моделей применена 3D-печать. Выявлены критические локальные концентраторы напряжений во впадинах резьбы и углах пазов.

Результаты показали высокую сходимость численного и натурного экспериментов (относительная погрешность составила 0,57 % для резьбового соединения, а также 3,4 % — для шпоночного), что подтверждает корректность расчетных моделей. Практическая значимость работы заключается в том, что апробированная методика может применяться как на ранних стадиях проектирования, так и для прочностной оптимизации геометрии существующих конструкций.

The paper investigates the stress-strain state of critical detachable joints (keyed and threaded) in solid-propellant rocket motors. The purpose of the research is to study the stress-strain state of critical components in rocket technology (using the example of threaded and keyed joints) based on a comparative analysis of the results of numerical modeling in ANSYS and field experiments using photoelasticity.

The authors propose a comprehensive approach to ensure high reliability, combining finite element modeling in ANSYS with experimental validation via the photoelastic method. The scientific novelty of the research consists in acquiring more accurate data regarding the stress state of the components under study by introducing a "virtual photoelasticity" algorithm for direct quantitative validation of numerical results. Furthermore, 3D-printing is utilized as an efficient technological tool for the manufacturing of optical models. Critical stress concentrators are identified in thread roots and keyway corners.

Results demonstrate high convergence between numerical and physical experiments (the relative error is 0.57 % for the threaded connection and 3.4 % for the keyed connection), confirming the accuracy of the calculation models. The practical significance of the work is that the tested methodology can be used both in the early stages of design and for the strength optimization of the existing structures geometry.

напряженно-деформированное состояниеметод конечных элементовфотоупругостьразъемные соединениятвердотопливный ракетный двигательконцентрация напряженийинтерференционные полосыаддитивные технологииstress-strain statefinite element methodphotoelasticitydetachable jointssolid propellant rocket enginestress concentrationinterference fringesadditive technologiesReferencesГузь А. Н., Макаренков А. Г., Чернышенко И. С. Прочность конструкций РДТТ: монография. Москва: Машиностроение, 1980. 244 с.Guz' A. N., Makarenkov A. G., Chernyshenko I. S. Prochnost' konstruktsiy RDTT. Moscow, 1980. 244 p. (In Russ.).Апакидзе Ю. В. Твердотопливные двигательные установки маршевых ступеней баллистических ракет. Москва: АО «Корпорация «Московский институт теплотехники», 2021. 137 с.Apakidze Yu. V. Tverdotoplivnyye dvigatel’nyye ustanovki marshevykh stupeney ballisticheskikh raket. Moscow, 2021. 137 p. (In Russ.).Герасимов С. И. Применение метода фотоупругости для анализа остаточных напряжений в компакт-дисках // Прикладная механика и техническая физика. 2004. Т. 45, № 3 (265). С. 176–180. EDN: ONMBVD.Gerasimov S. I. Photoelastic method for analyzing residual stresses in compact disks. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2004;45(3):176–180. EDN: ONMBVD. (In Russ.).Фрохт М. М. Фотоупругость. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений / пер. с англ. М. Ф. Бокштейн, Ю. Ф. Красонтовича, А. К. Прейсс. Т. 1. Москва, Ленинград: Гостехиздат, 1948. 432 с.Frokht M. M. Fotouprugost'. Polyarizatsionno-opticheskiy metod issledovaniya napryazheniy / trans. from Engl. M. F. Bokshteyn, Yu. F. Krasontovich, A. K. Preyss. Moscow, Leningrad, 1948. 432 p. (In Russ.).Huang Y., Yang X., Yan D. [et al.]. Digital Photoelasticity method used in the stress test. 2010 International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering. Changchun, 2010. P. 156–159.Huang Y., Yang X., Yan D. [et al.]. Digital Photoelasticity method used in the stress test. 2010 International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering. Changchun, 2010. P. 156–159.Yokoyama Yu., Mitchell B.-R., Nassiri A. [et al.]. Integrated photoelasticity in a soft material: phase retardation, azimuthal angle, and stress-optic coefficient. Optics and Lasers in Engineering. 2023;161:107335. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2022.107335.Yokoyama Yu., Mitchell B.-R., Nassiri A. [et al.]. Integrated photoelasticity in a soft material: phase retardation, azimuthal angle, and stress-optic coefficient. Optics and Lasers in Engineering. 2023;161:107335. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2022.107335.Ramesh Kr., Sachin S. Digital photoelasticity: Recent developments and diverse applications. Optics and Lasers in Engineering. 2020;135:106186. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106186.Ramesh Kr., Sachin S. Digital photoelasticity: Recent developments and diverse applications. Optics and Lasers in Engineering. 2020;135:106186. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106186.Digendranath S., Jeby Ph., Annamala S. P. Assessment of a complex aerospace design through optical techniques. Applied Mechanics and Materials. 2014;592-594:1006–1010. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.592-594.1006.Digendranath S., Jeby Ph., Annamala S. P. Assessment of a complex aerospace design through optical techniques. Applied Mechanics and Materials. 2014;592-594:1006–1010. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.592-594.1006.Raptis K. G., Savaidis A. A. Experimental investigation of spur gear strength using photoelasticity. Procedia Structural Integrity. 2018;10:33–40. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2018.09.006.Raptis K. G., Savaidis A. A. Experimental investigation of spur gear strength using photoelasticity. Procedia Structural Integrity. 2018;10:33–40. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2018.09.006.Маршалкович А. С., Аскадский А. А. Получение оптически чувствительных полимерных материалов для моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций и сооружений методом фотоупругости // Вестник МГСУ. 2011. № 1-2. С. 167–178. EDN: OUVZJP.Marshalkovich A. S., Askadskiy A. A. Getting optical sebsitivity of polymer materials for the simulation of stress-strain state structures and co-oruzheniym photoelasticity method. Vestnik MGSU. 2011;1-2:167–178. EDN: OUVZJP. (In Russ.).Magalhães P. A., Magalhães C. A., Magalhães A. L. Computational methods of phase shifting to stress measurement with photoelasticity using plane polariscope. Optik. 2017;130:213–226. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.11.037.Magalhães P. A., Magalhães C. A., Magalhães A. L. Computational methods of phase shifting to stress measurement with photoelasticity using plane polariscope. Optik. 2017;130:213–226. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.11.037.Лихачев А. В., Табанюхова М. В. Новый алгоритм обработки данных метода фотоупругости // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2022. № 79. С. 100–110. https://doi.org/10.17223/19988621/79/9. EDN: EKATRN.Likhachev A. V., Tabanyukhova M. V. A new processing algorithm for photoelasticity method data. Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2022;79:100–110. https://doi.org/10.17223/19988621/79/9. EDN: EKATRN. (In Russ.).Pástor M., Hagara M., Kostka J. Stress Analysis Performed by Photoelasticity and Digital Image Correlation. Applied Mechanics and Materials. 2015;816:474–481. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.816.474.Pástor M., Hagara M., Kostka J. Stress Analysis Performed by Photoelasticity and Digital Image Correlation. Applied Mechanics and Materials. 2015;816:474–481. https://doi. org/10.4028/www.scientific.net/AMM.816.474.Савостьянов В. Н., Фриштер Л. Ю. 100 лет: фотоупругость–ЛИН-МИСИ–МГСУ // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16, № 10. С. 1297–1323. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2021.10.1297-1323. EDN: GACCWH.Savost'yanov V. N., Frishter L. Yu. 100-years' story of success: Photoelasticity–LSR-MICE–MSUCE. Vestnik MGSU. 2021;16(10):1297–1323. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2021.10.1297-1323. EDN: GACCWH. (In Russ.).Riccio A., Acanfora V., Sellitto A. [et al.]. A comparative numerical-experimental investigation on the tensile behaviour of bonded, rivetted and hybrid composite joints configurations. Composite Structures. 2023;318(236):117114. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117114Riccio A., Acanfora V., Sellitto A. [et al.]. A comparative numerical-experimental investigation on the tensile behaviour of bonded, rivetted and hybrid composite joints configurations. Composite Structures. 2023;318(236):117114. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117114

The authors declare that there are no conflicts of interest present.