Работа посвящена математическому и компьютерному моделированию свойств равномерно напряженного вращающегося диска из волокнистого полимерного композиционного материала, полученного методом намотки. Объект исследования - конструкция равнонапряженного диска из волокнистых полимерных композиционных материалов (РНД из ВПКМ). Цель исследования - разработка цифровой модели РНД из ВПКМ, позволяющей проводить расчеты маховика. Методы исследования – аналитический и конечноэлементный анализ напряженно-деформированного состояния, аналитическое и численное моделирование конструкции и свойств равнонапряженной структуры композиционного материала в составе диска с учетом траектории армирования и формообразования. Научная новизна заключается в разработке расчетной методики, основанной на современных численных подходах, с помощью которой можно проектировать структуры и свойства высокоэффективных кинетических накопителей энергии из ВПКМ для космического назначения. В рамках данной работы разработана часть расчетной методики и достигнуты следующие ключевые результаты: - разработаны математические модели, обеспечивающие связь технологических параметров намотки, формирования структуры материала, и, как следствие, прочностных свойств конструкции; - разработана процедура автоматизированного построения модели РНД в программной системе ANSYS Composite PrepPost; - проведена верификация способа моделирования структуры ВПКМ через реализацию аналитического расчета по определению компонент напряженно-деформированного состояния; - разработана цифровая модель РНД, и произведен расчет предельной скорости вращения через критерии разрушения по максимальным напряжениям; - проведен расчет и сравнительный анализ конструкций РНД из ВПКМ и металла для обоснования работоспособности расчетной методики в задаче проектирования; - получены результаты массо-энергетического совершенства конструкции РНД из ВПКМ по сравнению с аналогичным по массе металлическим диском. Область применения – полученные результаты можно применять как расчетную основу и методику при проектировании механических кинетических бортовых источников питания для космических аппаратов (КА) с заданными габаритами по компоновочной схеме КА. Для внедрения разработки необходимо провести исследование и поиск возможной конструкции оправки для уточнения математических и компьютерных моделей, а также провести валидацию цифровой модели РНД. Экономическая эффективность получаемой конструкции РНД из ВПКМ в составе бортового источника питания заключается в достижении массо-энергетического совершенства, в результате которого обеспечивается не только энергетическая эффективность, а так же обеспечивается низкая стоимость вывода полезной нагрузки в космическое пространство. Развитием настоящей работы можно назвать поиск возможной конструкции оправки для намотки в целях уточнения формы распределения толщины вблизи внутренней и наружной грани РНД, а также уточнение траектории армирования для достижения более равномерной равнонапряженности и усиления матричного направления.

The paper is devoted to mathematical and computer modelling of the properties of a uniform-stress spinning filamentary disk, which is made of a fibrous polymer composite material obtained by winding. The object of research is the design of an uniform-stress spinning filamentary disk made of fibrous polymer composite materials (USSFD) from FPCM). The purpose of the study is to develop a digital model of the USSFD from the FPCM, which makes it possible to do flywheel calculations. Current methods – analytical and finite element analysis of the stress-strain state, analytical and numerical modeling of the design and properties of the uniform stress structure of the composite material in the disk considering to the trajectory of reinforcement and shaping. The scientific novelty is the development of a computational technique based on modern numerical approaches, with the help of which it is possible to design the structures and properties of highly efficient kinetic energy storage from FPCM for space purposes. As part of this work, a part of the calculation methodology was developed and the following key results were achieved: - mathematical models have been developed that provide a link between the technological parameters of winding, the formation of the material structure, and, as a result, the strength properties of the structure; - a procedure for the automated construction of an USSFD model in the ANSYS Composite PrepPost software system have been developed; - verification of the method for modeling the structure of the FPCM through the realisation of an analytical calculation to determine the components of the stress-strain state; - a digital model of USSFD was developed, and the calculation of the limiting rotation speed was made through the failure criteria for maximum stresses; - calculation and comparative analysis of USSFD structures made of FPCM and metal for substantiate the efficiency of the calculation technique in the design problem; - the results of the mass-energy perfection of the USSFD design from FPCM in comparison with a metal disk of the same mass were obtained. Scope - the results obtained can be used as a calculation basis and methodology for the design of mechanical kinetic onboard power sources for spacecraft (SC) with specified dimensions according to the SC layout. To implement the development, it is necessary to conduct a investigation and search for a possible design of the mandrel to clarify mathematical and computer models, as well as to validate the digital model of the USSFD. The economic efficiency of the USSFD design obtained from FPCM as part of an onboard power source is to achieve mass and energy perfection, which results in not only energy efficiency, but also low cost of launching the payload into outer space. The extension of this work can be called the search for a possible design of the mandrel for winding in order to clarify the shape of the thickness distribution near the inner and outer faces of the USSFD, as well as the refinement of the reinforcement trajectory to achieve a more uniform uniform tension and enhance the matrix direction.