Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Исходные данные

Спроектировать лопасть НВ из полимерных композиционных материалов прямоугольной формы в плане для среднего многоцелевого вертолета взлетной массой 2,5т, таблица 1.

Таблица 1.

Расчет лонжерона и комлевого стыка лопасти проводится для действияцентробежной силы создаваемой при вращении винта на значениях щr . Лопасть с целью выравнивания поля индуктивных скоростей по диску несущего винта и соответственно уменьшения индуктивных потерь НВ выполняют с круткой в пределах 7…10°. Аэродинамический профиль лопасти NACA 230. Расчет хвостового отсека с сотовым заполнителем проводится для значения распределенной аэродинамической нагрузки на характерном сечении лопасти r =0,7 при нормальном обтекании лопасти и максимальной скорости полета вертолета. Расчет клеевого соединения хвостового отсека с лонжероном лопасти проводится для значения аэродинамической нагрузки, действующей на месте соединения отсека с лонжероном и действующей на хвостовой отсек Кориолисовой силы для сечения лопасти r =0,7.

Принимаемые при проектировании лопасти НВ коэффициенты безопасности согласно НЛГВ-2:

Основной: f осн = 2,0 ;

Дополнительный для соединений: f доп.соед. = 1,15 ;

Дополнительный для ПКМ: f доп..ПКМ = 1,25 .

2. Техническое описание конструкции

Конструктивно лопасть включает в себя большое число элементов, к которым предъявляются различные требования по прочности, плотности, жесткости. К таким элементам можно отнести лонжерон, хвостовую часть лопасти (хвостовой отсек), противоабразивную защиту, противообледенительную систему, стыковочный узел с втулкой винта.

Лонжерон лопасти - это основной силовой элемент лопасти, воспринимающий значительную часть всех массовых и инерционных нагрузок, действующих на лопасть. Лонжерон является связующим звеном для всех элементов лопасти. Он подвержен воздействию разнообразных статических и переменных (циклических) силовых факторов: растягивающих и сжимающих усилий, изгибающего и крутящего моментов. Эти нагрузки действуют в различных плоскостях и с различными частотами и амплитудами. Лонжерон выполнен из стеклопластика СК-2561 на связующем 5-211Б. С целью обеспечение заданной центровки в передней части лонжерона установлен металлокомпозитный противовес.

Хвостовой отсек лопасти образует заднюю часть аэродинамической поверхности профиля. Выполнен в виде профилированной сотовой трехслойной панели и воспринимает часть силовой нагрузки (частично М изг и перерезывающую силу от аэродинамической нагрузки), передавая их на лонжерон.Наружные слои выполнены из стеклоткани Т-10 на связующем 5-211Б и служат для предохранения от смятия сот при изгибе хвостовой панели стабилизатора.В качестве сотового заполнителя применена полимерная каландрированная бумага ПСП-1 (3-ОСТ1 00851-77) с шестигранной формой ячейки (размер ячейки 2,5 мм).

Противоабразивная защита (ПАЗ) лопасти включает противоабразивные оковки из нержавеющей стали и абразивостойкое резиновое покрытие. Резина обладает высокой стойкостью к воздействию песчаной эрозии, однако ее стойкость к воздействию водяной эрозии недостаточна. Металлы уступают резине в стойкости к песчаной эрозии, но зато превосходят ее в стойкости к водяной эрозии.

Противообледенительная система электротепловаядля защиты лопасти от обледенения на лопасти установлена. Основным элементом такой системыявляетсянагреватель, обеспечивающий необходимую температуру на поверхности лопасти. Подача электрического тока для работы нагревателя осуществляется по проводам, расположенным в носке лопасти. С наружной и внутренней стороны нагреватель закрыт электроизоляционными слоями.

Стыковочный узел предназначен для крепления лопасти и передачи нагрузок с лопасти на втулку. Этот стык является разборным, т.е. эксплуатационным. На лопасти применен двухболтовой стыковочный узел свертикальным расположением болтов. Онобразован непосредственно из материала лонжерона с дополнительным усилением слоями кордонной ткани и титановой фольги. В комлевой части установлены стыковочные шайбы и втулки.

Вся поверхность лопасти, кроме деталей из нержавеющей стали и резины, покрыта лакокрасочным покрытием.

Противофлаттерный груз служит для отстройки от изгибно-крутильного флаттера лопасти в диапазоне эксплуатационных скоростей вертолета.

3. Требования к агрегату

Лопасть должна обеспечивать:

Высокое аэродинамическое совершенство,

Высокую статическую и усталостную прочность во всем диапазоне срока службы,

Высокий ресурс,

Высокую надежность.

Её конструкция должна обеспечивать отсутствие концентраторов напряжений, резких перепадов жесткости. Лопасти должны обладать стабильностью свойств во времени, защищены от повреждений в процессе эксплуатации, но в случае, если они всё же появились, позволять проводить их ремонт, т.е. быть ремонтопригодной. Они должны обладать "мягким" характером развития появившегося дефекта, исключающим лавинообразное развитие дефекта. Внешние атмосферные воздействия (дождь, град, солнечная радиация, морской воздух и т.д.) не должны влиять на работоспособность лопасти. Она должна обеспечивать удобство в проведении эксплуатационных мероприятий.

Агрегат должен быть спроектирован так, чтобы на всех разрешенных режимах полета имелся определенный запас до начала любого вида неустойчивой работы (флаттер, увеличенные колебания и вибрации из-за срыва потока с лопасти и т.д.). Деформации лопасти не должны увеличиваться настолько, чтобы приводить к ухудшению аэродинамики винта, балансировки и управляемости.

4. Определение внешних нагрузок на агрегат

1) Схема нагружения лонжерона лопасти НВ

В полете лонжерон лопасти испытывает растяжение, изгиб в 2-х плоскостях и кручение. Самой большой по величине нагрузкой на лопасть является центробежная сила ДR цб (рис.6.3). Центробежная сила вызывает деформации растяжения в лонжероне и как следствие этого в сечении действуют нормальные напряжения вдоль продольной оси лопасти. Поскольку скорость вращения несущего винта мало меняется во времени, центробежную силу считают величиной постоянной во времени и относят к виду статической нагрузки. Помимо центробежной силы на лонжерон НВ действуют переменные во времени циклические нагрузки с периодом колебаний кратным одному обороту НВ. В плоскости тяги действует аэродинамическая сила тяги ДT и вследствие угловых колебаний лопасти инерционная сила ДJ B . В плоскости вращения действуют сила сопротивления лопасти ДQ и инерционная кориолисовая сила ДJ k . Все эти силы переменные по длине лопасти и по времени.

Помимо сил на лонжерон относительно ее продольной оси действуют переменные моменты (рис.2). Один из этих моментов - шарнирный М ш. Второй - момент инерции Мин является следствием угловых колебаний лопасти относительно осевого шарнира втулки несущего винта. Действие этих моментов вызывает кручение лопасти НВ вертолета.

Рис.2 Возникновение шарнирного момента на лопасти.

лонжерон вертолет лопасть

2) Схема нагружения хвостового отсека лопасти.

Обшивка хвостового отсека лопасти воспринимает аэродинамическую нагрузку, действующую на профиль. Эта нагрузка вызывает появление в обшивке нормальных напряжений. Кроме того, в зависимости от конструкции крепления обшивки к лонжерону, в ней могут возникнуть дополнительные нормальные и касательные напряжения, которые также необходимо учесть при выборе толщины обшивки. Так как аэродинамическая нагрузка переменная по длине лопасти и по времени, то создаваемые ею перерезывающая сила Q и момент M стремятся изогнуть хвостовой отсек, вверх или вниз (рис.6.5).

При этом от момента в обшивке возникают нормальные напряжения, а от перерезывающей силы в обшивке и нервюре -касательные напряжения. Лонжерон лопасти, изгибаясь в плоскости вращения, стремится увести за собой отсек.

При этом в обшивке возникают дополнительные напряжения. При изгибе лонжерона внешним по радиусу концом вперед (по вращению) в средней по радиусу части отсека в площадках, перпендикулярных к хорде, и параллельных ей, возникают сжимающие нормальные напряжения, а по концам отсека - растягивающие. При изгибе лопасти в плоскости взмаха в обшивке также возникают напряжения.

5. Выбор конструктивно-силовой схемы лопасти НВ

Лонжерон и хвостовой отсек крепятся друг к другу при помощи клеевого соединения. Сосредоточенные силы воспринимают: узел крепления лопасти (реакции от центробежной и аэродинамических сил). Они затем передаются на рукав втулки НВ вертолета.

Лонжерон лопасти изготавливается в виде профилированной слоистой оболочки вращения с переменным по размаху сечением. При изгибе лонжерона слои испытывают попеременное растяжение-сжатие, поэтому возможна местная потеря устойчивости тонкой стенки лонжерона в опасном сечении, и за разрушающие принимаются критические напряжения потери устойчивости.

Хвостовой отсек лопасти проектируется в виде профилированной трехслойной панели с сотовым заполнителем. При изгибе отсека верхние и нижние слои испытывают растяжение-сжатие, поэтому возможна местная потеря устойчивости тонкой обшивки отсека в опасном сечении, и за разрушающие принимаются критические напряжения потери устойчивости.

Сечения элементов узла крепления лопасти подбирают по разрушающим напряжениям, причем запас прочности должен быть не менее единицы.

6. Выбор проектируемых параметров

В качестве проектируемых параметров следует принять:

а) Геометрические параметры сечения лопасти (Рис.3),(Таблица 2)

Таблица 2.

б) Массовые параметры элементов композитной лопасти (Таблица 3)

Таблица 3.

7. Случаи нагружения

1. Режим висения.

В этом случае производим статический расчёт лопасти и определяем напряжения,

действующие от центробежной силы.

Рассчитываем комлевую часть со стыковочными узлами на прочность.

2. Стоянка.

В этом случае определяем напряжения, действующие в лопасти на стоянке от сил собственного веса.

3. Режим горизонтального полёта с максимальной скоростью.

В этом случае рассчитываем на прочность клеевые стыки: лонжерон -сотовыйзаполнитель, лонжерон-обшивкахвостовойпанели.

Выбор параметров и расчет на прочность лопасти НВ.

Процесс проектирования лопастей НВ из ПКМ включает:

Выбор конструктивной схемы и материала лопасти;

Определение потребных сечений элементов лопасти по требованиям статической и усталостной прочности;

Корректировка массовых характеристик лопасти;

Отстройка лопасти от резонанса на рабочих частотах вращения;

Обеспечение запасов аэроупругой устойчивости лопасти;

Конструирование комлевых стыковочных узлов лопасти и расчет клеевых соединений лопасти.

1. Статический свес лопасти [у] на стоянке (конец лопасти не должен задевать за хвостовую балку) должен быть: [у] < 0,1 r, r -радиуслопастиНВ;

а) напряжения, действующие в лонжероне от центробежных сил, не должны превышать допустимые напряжения:

у R < [у R ] = 60 МПа ;

б) напряжения, действующие в лонжероне на стоянке от сил собственной массы лопасти, не должны превышать доп. напряжения:

уу< [ уу] = 70 МПа;

3. Необходимый запас по потере устойчивости типа флаттер: Хэф=0,24b;

4. Обеспечение ограничения по собственным частотам колебаний.

Для лопасти вертолета такое ограничение достаточно сложное из-за того, что скорость набегающего потока по длине лопасти переменна и таких резонансных частот будет довольно много в диапазоне эксплуатации вертолета.

Выбор материала

Исходя из условий работы несущего винта, в качестве главных при выборе

материала частей лопасти из ПКМ выдвигаются следующие требования:

Усталостная прочность, которая проявляется в трещиностойкости и слабой чувствительности к концентраторам напряжений;

Неизменность механических свойств материала деталей и их соединений от

времени и внешних условий эксплуатации;

Технологические и экономические требования.

Для лонжерона выбираемвысокопрочныйстеклопластикСК-2561 на основе кордной стеклоткани Т25-(ВМ) на связующем 5-211Б с

Прочностью при растяжении[s -- +--]=--1500МПа ,

Предельными напряжениями среза:[ф ср ] =48 МПа и

смятия:[ s см ] =100МПа,

модуль упругости материала E=55ГПа ,

коэффициент Пуассонаm 12=--0,26,

плотностьr -- =--2500кг /м 3,

может эксплуатироваться при температурах до1000С .

Дляобшивки хвостовогоотсекавыбираемстеклотканьТ-10 на связующем 5-211Б с

Прочностью при сжатии [s -- ---]=--230МПа

Имеет модуль упругости E =27ГПа ,

коэффициент Пуассонаm 12=--0,11.

Для сотового заполнителя применена полимерная каландрированная бумага ПСП-1 (3-ОСТ1 00851-77) с шестигранной формой ячейки размером 2,5 мм.

Модуль упругости E = 170МПа ,

Плотностьr -- =--42,1кг /м 3.

Для клеевого стыка сотового заполнителя хвостового отсека с лонжероном выбираем клей холодного отверждения ПУ-2 , клей обладает способностью вспениваться, увеличиваясь в объеме, при этом заполняет зазоры в пределах 0,1 - 3 мм.

При толщине клеевого шваd к =--0,35мм

Имеет прочность насдвиг[t -- ]сдвига =--18МПа ,

Модуль сдвига G =--42МПа .

Для приклейки обшивки хвостового отсека к лонжерону возьмём клей горячего отверждения ВК-9 . Используется для склеивания сталей, алюминиевых и титановых сплавов между собой и с неметаллическими материалами. Для радиотехнических изделий, клеерезьбовых соединений. Представляет собой вязко-текучую серую массу. Интервал рабочих температур от минус 196° до 125°С.

Прочность на сдвиг

Модуль сдвига

Дляболтов выбираемсталь45Г .Основнымпреимуществомданнойсталиявляетсяпрокаливаемостьнабольшиетолщины.

Прочность на срез составляет[ф ср ] =370МПа.

8. Статический расчет лопасти

Спроектированная лопасть должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Обеспечение статического свеса на стоянке (конец ло-пасти не должен задевать за хвостовую балку): .

2. Обеспечение требований статической прочности:

а) напряжения, действующие в лонжероне от центробежных сил, не должны превышать допустимые напряжения: .

б) напряжения, действующие в лонжероне на стоянке от сил собственной массы лопасти, не должны превышать допусти-мые напряжения: .

3. Необходимый запас по потере устойчивости типа флаттер: .

Режим висения.

Определение напряжений, действующих в сечении лопасти от центробежной силы

Для расчета лопасти используем модель, предложенную А.В. Некрасовым - метод конечных элементов. Недеформированная лопасть разби-вается на 9 равных участков сечениями, перпендикулярными к ее оси. Радиус каждого сечения, длинна всех участков одинаковая и равна.Масса лопасти сосредоточивается в 8- ми точках, которые связаны между собой упругими элементами, имеющими постоян-ную жесткость в пределах каждого участка разбиения.

В каждом сечении лопасти действуют внутренние силовые факторы: изгибающий момент М i , нормальная N i и перерезывающая Q i силы.

Для заданного типа лонжерона по координатам профиля лопасти в программе строятся характерные теоретические сечения, которые упрощенно представляют состоящими из следующих конструктивных элементов: лонжерона, сотового блока, обшивки ХО, противофлаттерного груза. Для каждого теоретического сечения по чертежу определяются следующие параметры:

P лонж ,м -периметрлонжеронапосреднейлинии;

F лонж , м 2 -площадь сечения лонжерона;

д лонж. , м-толщиналонжерона;

X ц.т. лонж. , Y ц.т. лонж . , м -координатыцентратяжестилонжерона;

F обш. , м 2 - площадь обшивки ХО;

X ц.т. Обш . , м -координатацентра тяжести обшивки;

F сот , м 2 -площадьсотовогоблока;

X ц.т. сот , м - координата центра тяжести сотового блока;

X ц.т. груз , м - координата центра тяжести противофлаттерного груза.

Вычисляется масса каждого элемента для i -того теоретического сечения:

где с , кг/м 3 -плотностьматериаласоответствующегоэлемента, задаетсявсправочныхданных;

----------------D R=R i+1 -R i , м-расстояниемеждуi -м и i +1 -м сечениями.

Расчет напряжений, действующих в сечении лопасти от центробежной силы, сведем в таблицу №.4.

Вывод: Максимальное напряжение на лонжероне у N =59,7МПа, следовательноу N =59,7Мпа<[у N ]=60МПа. Требование по статической прочности выполняется.

9. Расчет на прочность узла стыковки лопасти и втулки

Узел стыковки лопасти и втулки представляет собой элемент соединения типа «ухо - вилка», а расчет узла на прочность сводится к расчету на прочность стыковочных отверстий в комлевой части лонжерона лопасти. Внешним силовым фактором при расчете считается центробежная сила лопасти.

Для данной разновидности соединения «ухо - вилка» лопасть представляется соединением «ухо» и характерным считаются виды разрушения, критическими параметрами в которых выступают:

диаметр стыковочных болтов;

площадь сечения лонжерона в плоскости осей стыковочных отверстий;

физико-механические характеристики материалов соединения.

Исходные данные для расчёта:

«коэффициент безопасности» для всех расчетных случаев f = 2;

предел прочности при растяжении: стеклопластик фольгированный: [ в ] = 2,810 8 Па;

предельные напряжения среза болта (сталь 45Г): [ в ] б = 3,7 10 8 Па;

предельные напряжения среза стеклопластика (Т-25(ВМ)-78):

[ в ] стеклопл. = 1,4 10 8 Па;

предельные напряжения смятия стеклопластика (Т-25(ВМ)-78):

[ см ] стеклопл. = 4,4 10 8 Па;

внешний силовой фактор: центробежная сила лопасти N цб 56806,31Н;

допустимое напряжение смятия пакета: пак =0,8 10 7 Па;

количество плоскостей среза болтов: n ср =4

число отверстий в панели: n отв =4

Параметры стыка комлевой части лопасти выбираем исходя из центробежной силы, действующей на лопасть.

Прочности стыковочных болтов на срез.

Определяем диаметр болта крепления лопасти ко втулке:

Условием прочности стыковочных болтов на срез (рис.4,а) определяется их достаточный диаметр и, следовательно, диаметр стыковочных отверстий. Это условие определяется как

расч f [ в ],

где расч -расчетная величина напряжений «на срез»; f -«коэффициент безопасности»; [ в ] -предельная величина напряжений «насрез» для материала болта.

Так как болт вставляется во втулку то прибавляем ещё размер втулки:

d=12,22+6=18,22 мм

d болта =20 мм

запас прочности:

n=[ в ]/ расч f 1

[ расч ]= МПа;

2. Определяем толщину пакета фольгированного стыка

первого приближения в панели лонжерона из условий на смятие

Толщина пакета панели.

3. Определяем толщину фольги.

Коэффициент 0,2 это 20% фольги в пакете, при таком проценте получаются оптимальные параметры стыка.

4. Определяем толщину корда.

Где - число слоёв фольги.

Индекс «м» указывает, что величина относится к монослою. Для фольги из титанового сплава ОТ-4 а - для ткани Т-25(ВМ)-78.

5. Определяем толщину лонжерона.

6. Определяем толщину клея.

7. Определяем толщину пакета фольгированного стыка

второго приближения в панели лонжерона.

13,809 мм

8. Определяем.Проводим анализ:

а) Если =0 - переходят к определению геометрии лопасти.

б) Если >0 - добавляют число слоёв кордной ткани.

в) Если <0 - переходят к определению геометрии лопасти, используя в качестве толщины пакета значение.

<0 - переходим к определению геометрии лопасти, используя в качестве толщины пакета значение

Переходим к определению запасов прочности, используя в качестве толщины пакета значение.

Прочность комлевой части лопасти на отрыв (рис. 4, б):

Зависит, главным образом, от площади сечения лонжерона в плоскости осей стыковочных отверстий. Условие прочности в данном случае: расч f [ в ], где расч -расчетная величина напряжений при эксплуатационном случае; f -коэффициент безопасности; [ в ] раст -предельная величина напряжений для материала. А величина действующих напряжений рассчитывается по формуле:

расч = N цб / F .

Площадь сечения лонжерона F сеч, необходимая для использования этих формул определяется по формуле:

где F вн.кнт, F плст, F отв -соответственно площади внешнего контура лонжерона, полости и суммарная площадь сечений отверстий в лонжероне.

Представляя площади в виде функций геометрических параметров сечения лонжерона, получим формулу в развернутом виде:

где b л, c л - соответственно ширина и высота лонжерона в рассматриваемом сечении; c , п -толщины «стенки» и «полки» лонжерона; n отв, d -количество и диаметр отверстий под стыковочные элементы в лонжероне соответственно.

F сеч = 0,02541 м 2

расч =34,165 МПа;

запас прочности

n = [ в ] раст / расч =4,1

Прочности на вырыв перемычки

При определении прочности на вырыв перемычки (рис. 4, в) пользуются условием выраженным формулой

где f -«коэффициент безопасности»; n пс -суммарное количество плоскостей среза; п -толщина «стенки» лонжерона в сечении; b -ширина перемычки, [ в ] -предельные напряжения среза для материала лонжерона.

запас прочности

n=[ в ]/ расч f = 1,41

Прочность узла по условию смятия поверхностей контактирующих деталей (рис. 2, г) определяется условием:

где f -«коэффициент безопасности»; n п см -суммарное количество поверхностей смятия; п -высота поверхности смятия; d -диаметр контактирующих поверхностей; [ см ] -предельные напряжения смятия для материала контактирующих деталей.

см. расч. = 155,025 МПа

запас прочности

n = [ см ]/ расч =1,42

Вывод: условия прочности узла стыковки лопасти и втулки выполняется.

Стоянка

Определение напряжений, действующих в лопасти на с тоянке от сил собственного веса

Напряжения, действующие в лопасти на стоянке от сил соб-ственного веса, вычисляются по формуле:

где M i , Н. м - изгибающий момент, действующий в i -м сечении ло-пасти от сил собственного веса. В принятой модели:

где - длина i -го участка,

W x - момент сопротивления изгибу:

,

где I x -моментинерцииi - го сечения относительно оси главной центральной оси х .

Прогиб лопасти от собственного веса на стоянке вычисляет-ся интегрированием дифференциального уравнения упругой линии балки:

EI -жесткость лопасти.

В принятой модели прогиб в i -м сечении вычисляется по формуле:

где ц i , рад - углы поворота текущего сечения, определяются из выра-жения:

Расчет напряжений, действующих в лопасти на стоянке от сил собственного веса, сведем в таблицу№.5.

Вывод: Напряжения, действующие в лонжероне на стоянке от сил собственной массы лопасти, не превышают доп. напряжения:

уу = 39,9 МПа< [ уу] = 70 МПа

Максимальный прогиб лопасти от собственного свеса составляет 0,292 м, что значительно меньше 0,1r = 0,51м. Условия статической прочности соблюдаются.

10. Режим горизонтального полёта с максимальной скоростью

Определение расчетной распределенной нагрузки

Определение нагрузки ведется для характерного сечения лопасти (Рис.5).

Где f =2 -коэффициент безопасности,

S отс . =b L отс. - площадь отсека

S отс . =b L отс = 1143210 мм 2

с=1,226 кг/м 3 -плотность воздуха,

V-скорость обтекания на характерном сечении лопасти.

V пол =70м/с - Скорость полета вертолёта,

R 07 =0,7L-радиус характерного сечения лопасти

L = 5,1м -длиналопасти,

щ-скорость вращения винта.

Распределение нагрузки по хорде считается для нормального обтекания:

Из подобия треугольников находим:

При таком распределении нагрузки получаем:

17134,169Н

Момент от аэродинамической нагрузки:

Максимальный момент от сил собственного веса лопасти по таблице:

M вес = 347,852 H ·м

M вес

Расчетную распределенную нагрузку определяем по аэродинамической нагрузке и принимаем следующую:

Расчет хвостового отсека

Прочность по нормальным напряжениям в обшивках

1. В первом приближении выбирается толщина обшивки.

2. Определяются напряжения в обшивках, возникающие при действии расчетной нагрузки N:

3. Определяются критические напряжения общей потери устойчивости конструкции:

= 110,815 МПа

L-Длина хвостового отсека лопасти. D- Жесткость сотовой конструкции на изгиб. m t -коэффициент опирания конструкции.

= 0,314Н·м

5589743,59 Н/м

h-Высота заполнителя. µ - коэффициент Пуассона материала обшивки.

k- Параметр сдвига.

G xz -Модуль сдвига в направлении наибольшей жесткости.

r- Размер грани шестигранной ячейки, д c -толщинагранизаполнителя, G m -модульсдвигаматериалазаполнителя.

4459М п а

µ - здеськоэффициентПуассонадляматериалазаполнителя.

4. Сравниваются значения нормальных напряжений в конструкции возникающих от расчетной нагрузки N, и критических напряжений общей потери устойчивости . Должно выполняться условие:

Если условие не выполняется -то обшивка теряет устойчивость. Необходимо увеличить толщину обшивки, уменьшить размер грани ячейки, увеличить толщину грани ячейки.

Прочность по напряжениям сдвига в заполнителе

5. Определяются усилия сдвига в заполнителе.

0,0151Н/м

6. Определяются напряжения сдвига в заполнителе.

М п а

7. Определяются напряжения местной потери устойчивости заполнителя.

8. Сравниваются значения напряжений сдвига и критических напряжений сдвига в заполнителе. Должно выполняться условие:

Если условие не выполняется, то необходимо увеличить толщину грани ячейки и уменьшить размер грани ячейки.

По касательным напряжениям в обшивках

9. Определяются касательные напряжения в обшивках.

123,99МПа

123299Н/м

m с - коэффициент зависящий от параметра сдвига k (Рис.6.)

10. Определяются критические напряжения местной потери устойчивости обшивки от касательной нагрузки.

871.82 М п а

11. Проверяется выполнение условия:

Если условие не выполняется, то следует увеличить толщину обшивки.

Вывод: Прочность хвостового отсека соблюдается.

Расчёт клеевого соединения хвостового отсека с лонжероном

Расчет клеевого соединения обшивки хвостовой панели с лонжероном

По величинам напряжений от аэродинамических нагрузок и напряжений от деформаций лонжерона в плоскости вращения можно найти касательные напряжения, возникающие в клеевом слое, служащем для приклейки отсека к лонжерону. Расчет клеевого соединения начинается с расчета нагрузок, приходящих на хвостовой отсек в расчетном сечении 1-1,см. рис.7.

При соединении лонжерона с хвостовым отсеком имеем 2 вида клеевого соединения: 1) В нахлестку-при соединении обшивки хвостового отсека с лонжероном (зона А); 2) Встык-при соединении сотоблокас лонжероном (зона В).

Расчет клеевого соединения обшивки хвостового отсека с лонжероном

Расчет клеевого соединения обшивки хвостового отсека с лонжероном производится в следующей последовательности:

1. Определяем изгибающий момент в расчетном сечении 1-1:

Кориолиса сила:

Выбор типа клея

Выбираем клей горячего отверждения ВК-9 , используется для склеивания сталей, алюминиевых и титановых сплавов между собой и с неметаллическими материалами. Для радиотехнических изделий, клеерезьбовых соединений. Представляет собой вязко-текучую серую массу. Интервал рабочих температур от минус 196° до 125°С.

Определение площади клеевого соединения

Из условия сдвига:

F -площадь склейки, м 2

Допускаемые напряжения в клеевом шве, [Мпа]

Коэффициент концентрации напряжений в клеевом шве.

Средние напряжения в клеевом шве.

Расчетная схема нахлёсточного клеевого соединения (Рис.8.):

Определение средних напряжений в клеевом шве:

(лонжерон стеклопластикСК-2561);

(обшивка хвостовой панели Т-10);

(толщина обшивки хвостовой панели);

(толщина клеевой прослойки ВК-9);

(модуль сдвига клеевой прослойки ВК-9)

Потребная площадь склейки:

Потребная длина нахлеста:

Принимаем из технологических соображений с учетом запаса на усталостное разрушение

B = 14 мм

Проверка прочности клеевого соединения:

Расчет клеевого соединения сотоблока со стенкой лонжерона

Среднее усилие в клеевом стыке:

Выбор типа клея

Выбираем клей холодного отверждения ПУ-2 . Клей обладает способностью вспениваться, увеличиваясь в объеме, при этом заполняет зазорыв пределах 0,1 - 3 мм. Выбираем клей холодного отверждения ПУ-2из за невозможности осуществления нагрева в зоне стыка, клей обладает способностью вспениваться увеличиваясь в объеме при этом заполняет зазоры в пределах 0,1 -3 мм.

[ф] сдвига = 18 МПа

Определение площади клеевого соединения:

м 2

Определение коэффициента концентрации напряжений в клеевом шве:

0,358 Мпа

(лонжерон стеклопластик СК-2561);

(бумага БФСК);

(толщина стенки лонжерона в зоне А);

(толщина бумаги);

(толщина клеевой прослойки ПУ-2);

(модуль сдвига клеевой прослойки ПУ-2)

М п а

Проверка прочности клеевого соединения

Вывод: Условие прочности клеевых соединений выполняется.

Анализ расчетов. Общие выводы

Из расчетов были получены следующие запасы прочности? для спроектированной лопасти, представленные в таблице 4.

Таблица 4

Общий вывод: прочность элементов лопасти из ПКМ, ее соединений и узла крепления соблюдается. Согласно таблице 4масса лопасти составляет 19,3 кг, что значительно ниже массы аналогичных металлических лопастей несущего винта.

С писок использованной литературы

Башаров Е.А., Дудченко А.А. -Расчет КонструкцийизПКМ. Учебное Пособие. М.МАИ - 2014

Башаров Е.А. -Конструирование Агрегатов Вертолетов-Методическое Пособие-М.МАИ - 2016

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Описание конструкции самолета АН-148, его узлы. Прочностной расчет конструкции панели сопла гондолы двигателя, схема его нагружения. Технологический процесс приготовления связующего ЭДТ-69Н. Экономический эффект от внедрения композиционных материалов.

дипломная работа , добавлен 13.05.2012


Разработка варианта конструкции фюзеляжа самолета легкого типа из полимерных композиционных материалов и обоснование принятых решений расчетами. Технологический процесс изготовления конструкции. Анализ дефектов тонкостенных деталей трубопроводов.

дипломная работа , добавлен 11.02.2015


Выбор схемы установки, способа ориентации и расчётных параметров лопасти. Определение коэффициентов идеальной и расчётной мощности. Расчет размерных параметров ветроколеса. Определение нагрузок, действующих на лопасть, ее веса, центробежных сил инерции.

курсовая работа , добавлен 01.12.2014


Разработка принципов и технологий лазерной обработки полимерных композиционных материалов. Исследование образца лазерной установки на основе волоконного лазера для отработки технологий лазерной резки материалов. Состав оборудования, подбор излучателя.

курсовая работа , добавлен 12.10.2013


Производство изделий из композиционных материалов. Подготовительные технологические процессы. Расчет количества армирующего материала. Выбор, подготовка к работе технологической оснастки. Формообразование и расчет штучного времени, формование конструкции.

курсовая работа , добавлен 26.10.2016


Нормирование нагрузок на крыло. Проектирование полок и стенки лонжерона. Расчет геометрических параметров сечения лонжерона. Проектирование узла крепления подкоса к лонжерону. Технологический процесс формообразования и контроль качества конструкции.

дипломная работа , добавлен 27.04.2012


Выявление наиболее приемлемого материала и способа заделки лопасти ветротурбины карусельного типа из условия жесткости. Анализ перемещений в балках при изгибе. Расчет основных силовых факторов, возникающих в балке, в зависимости от типов закреплений.

дипломная работа , добавлен 04.12.2013


Подготовительные технологические процессы для производства изделий из композиционных материалов. Схема раскроя препрегов. Расчет количества армирующего материала и связующего, необходимого для его пропитки. Формообразования и расчет штучного времени.

курсовая работа , добавлен 15.02.2012


Расчет заклепок, соединяющих пояс и стенку лонжерона, нижней и верхней проушины, стойки и опасного сечения D-D вилки. Определение суммарной силы, действующей на болт. Нахождение координаты центра масс. Связь стыка с поясом и стенкой бортовой нервюры.

контрольная работа , добавлен 15.12.2013


Технология производства лонжерона крыла самолета РСМ-25 "Robust" из композиционных материалов с подкосом. Определение нагрузок, действующих на крыло, обеспечение прочности и устойчивости конструкции; силовое взаимодействие, требования к стыковым узлам.

Список обозначений

Введение

1. Глава 1. Обзор современного состояния проблемы

1.1 Уравнения деформаций лопасти. Основные допущения. Системы координат

1.2 Распределение индуктивных скоростей на несущем винте

1.3 Расчёт комлевого участка лопасти

1.4 Методы решения уравнений деформаций лопасти

Выводы к главе 1

2. Глава 2. Разработка расчётного метода

2.1 Описание метода расчёта

2.2 Преобразование исходной системы уравнений

2.3 Решение системы уравнений

2.4 Задание граничных условий

2.5 Преобразование членов уравнений аэродинамической нагрузки на лопасть

2.6 Моделирование комлевого участка лопасти

2.7 Моделирование демпферов

2.8 Алгоритм вычислений

Выводы к главе 2

3. Глава 3. Исследование упругих колебаний лопасти несущего винта вертолёта

3.1 Исходные данные

3.2 Собственные колебания недемпфированной системы

3.2.1 Колебания невращающейся консольной балки

3.2.2 Исследования свободных колебаний невращающейся лопасти

3.2.3 Исследования свободных колебаний вращающейся лопасти

3.2.4 Исследования совместных свободных изгибно-крутильных колебаний вращающейся лопасти

3.3 Исследование вынужденных колебаний

3.3.1 Исследование установившегося режима. Режим «горизонтальный полёт»

3.3.2 Исследование стационарного режима. Режим «висение»

Выводы к главе 3

4. Глава 4. Применение расчётного метода для решения практических задач проектирования несущей системы вертолёта

4.1 Исследования собственных характеристик лопасти вертолёта Ми-8, шарнирно подвешенной в горизонтальном шарнире, при её падении на ограничитель свеса

4.2 Исследование собственных характеристик лопасти вертолёта Ми-8, работающих в системе 8ЬЕ8

4.3 Исследование манёвренного режима «горка»

4.3.1 Постановка задачи

4.3.2 Результаты расчёта манёвра методом прямого интегрирования

4.3.3 Сравнение результатов расчета маневренного режима с результатами, полученными квазистационарным методом

Выводы к главе 4

Заключение

Литература

Список обозначений

х0,у0,г0 - неподвижная система координат, связанная с центром втулки х1,у1,г1 - вращающаяся система координат, связанная с центром втулки х,у,г - система координат, связанная с рукавом втулки соответствующей лопасти

х2,у2,г2 - система координат, связанная с сечением лопасти

х3,у3,г3- система координат, связанная с главными осями сечения лопасти

у/ - азимут лопасти, рад

со - угловая скорость вращения втулки, рад/с

е0 - расстояние между осями у и у<пм

хр,ур - координаты центра растяжения в осях х3,у3, м

хт,ут - координаты центра тяжести сечения в осях х3,у3 ,м

хж -расстояние оси жесткости от носка лопасти, м

Ъ - хорда лопасти, м

у(гхЛо) - скорость набегающего потока и её компоненты, м/с

аь - угол атаки винта, рад

(р -угол установки сечения лопасти, рад

в - угол закрутки лопасти за счет её деформации кручения и расстояния, рад

штрих - производная по г или по г

точка над буквой - производная по времени

ах,ау,аг -линейное ускорение точки лопасти, м/с2

рх,ру,рг - составляющие погонной нагрузки в сечениях лопасти, кг

Составляющие погонных моментов в сечениях лопасти, кг-м

р - плотность материала, из которого изготовлена лопасть, кг-м

^ - площадь поперечного сечения лопасти, м

погонная масса лопасти, кг - с /м

1щ,1тг -погонные массовые моменты инерции лопасти относительно осей х, и

Уз > кг-с

/=/+/- погонный массовый момент инерции лопасти относительно оси

жесткости, кг-с

г - координата 2 центра жесткости сечения недеформированной лопасти, м и = г-г- перемещение центра жесткости сечения недеформированной лопасти по оси г, М Я - радиус винта, м

Е1х,Е12- изгибная жесткость лопасти, кг-м2

01 к - жесткость лопасти на кручение, кг-м2

Е,С- модули растяжения и сдвига для лонжерона лопасти

у - коэффициент Пуассона

N - растягивающая сила в сечении лопасти, кг

/ -полярный момент инерции сечения, работающего на растяжение,

относительно оси жесткости, м

^ - площадь сечения, работающая на растяжение, м

в -угол закрутки сечения лопасти за счет её растяжения, рад

0изг - угол поворота сечения лопасти за счет изгиба, рад

гг,гь,гос- выносы горизонтального, вертикального и осевого шарниров, м

КвЪм - коэффициент компенсатора взмаха лопасти вокруг горизонтального

Р - круговая частота собственных колебаний лопасти, кол/мин а-рг

Л ^ ^ > ^ у -составляющие погонных гироскопических сил и моментов

х (г, у (г, {),в (г,?)-деформация лопасти, м

Мд - момент демпфера вертикального шарнира, кг - м

Мпред - максимальный момент, развиваемый демпфером вертикального шарнира с нелинейной характеристикой, кг-м

% 7 - среднее по азимутам значение угла установки недеформированной лопасти на относительном радиусе лопасти г = 0,7, рад

А<р - закрутка сечения недеформированной лопасти относительно сечения г = 0,7, рад

ае - продольное отклонение тарелки автомата перекоса (положительное - на кабрирование), рад

г] - поперечное отклонение тарелки автомата перекоса (положительное - в сторону поступающей лопасти), рад

Уап - вертикальное перемещение тарелки автомата перекоса, м Ау/ап - азимутальное положение тяги управления лопастью при у/ = 0 относительно оси хап, проходящей через тягу продольного управления автоматом перекоса, рад

Яа„,1, -плечи тяги управления лопастью относительно оси вала винта и оси осевого шарнира лопасти, м

у/ап = (// + Д|//пн - азимут лопасти относительно оси хап, рад 2ч - число лопастей Ъ - хорда лопастей, м р - плотность воздуха, кг - м3

Жп - нормальная к оси лопасти составляющая скорости потока, м/с q - погонный аэродинамический демпфирующий момент на лопасти, кг - м хж =хж/Ь - относительное расстояние оси жесткости от носка лопасти Мш - шарнирный момент лопасти, кг-м

^т"Мхап"М-ап" сила и моменты, действующие на автомат перекоса со стороны лопастей

М,М,М - компоненты момента, действующего на винт, относительно

неподвижных осей втулки x0,y0,z0, кг-м

Ту,Тх- подъемная и пропульсивная силы несущего винта в скоростных осях, кг MVM2 - изгибающие моменты в лопастях относительно главных осей,

проходящих через центр растяжения, кг - м

G = л 117 - коэффициент заполнения винта лЯ

b0 7 - хорда лопастей на г - 0,7, м

G, =-,Gn =^2- - изгибные напряжения в лопасти, кг/м2

WY,W2 - моменты сопротивления лопасти при нагибе в плоскостях наименьшей и наибольшей жесткости, м3

X - угол стреловидности передней кромки лопасти, град а - угол атаки сечения лопасти, град

vy -осевая составляющая индуктивности скорости в плоскости винта (о0 > 0-вверх), м/с

о0 - среднее по диску винта значение индуктивности скорости (и0 > 0 -вниз), м/с Кл - коэффициент, учитывающий переменность индуктивности скорости по диску несущего вина

Я = Vsmai>-. коэффициент протекания coR

ц =-ъ- - характеристика режима

Сгг =-т - коэффициент тяги

Г p7iR2{a>R)2

В - коэффициент концевых потерь

сх,с,тп_- аэродинамические коэффициенты сопротивления, тяги и продольного

моменты профиля

М = --- число М для сечения лопасти

а - скорость звука, м/с2

Ж - полная скорость набегающего на лопасть потока, м/с

Рх2а,Ру2а,Р:2а - составляющие погонной аэродинамической силы по осям х2,у2,г2, кг

Рш, Руа, Р:а - составляющая погонной аэродинамической силы по осям х,у,г, кг цка - погонный крутящий момент от аэродинамических сил, кг-м хф - расстояние точки приведения аэродинамических моментов лопасти от оси жесткости (Хф > 0, если точка приведения моментов находится впереди оси жесткости), м

визг - поворот сечения лопасти, вызванный её изгибом в двух плоскостях, рад

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нагруженности и прочности лопасти несущего винта вертолета на маневренных и неустановившихся режимах»

Похожие диссертационные работы по специальности «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов», 05.07.03 шифр ВАК

• Расчет напряженно-деформированного, предельного состояния и демпфирующих характеристик элементов композитных конструкций несущей системы вертолета 2014 год, кандидат технических наук Горелов, Алексей Вячеславович

• Динамические модели автожира и нормирование условий нагружения конструкции 2005 год, кандидат технических наук Калмыков, Алексей Александрович

• Динамика и прочность авторотирующего несущего винта 2003 год, кандидат технических наук Полынцев, Олег Евгеньевич

• Улучшение аэроупругих характеристик летательного аппарата с крылом большого удлинения 2008 год, кандидат технических наук Мазутский, Андрей Юрьевич

• Методы расширения сферы применения сверхлегких и очень легких вертолетов 2013 год, доктор технических наук Дудник, Виталий Владимирович

Заключение диссертации по теме «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов», Аверьянов, Игорь Олегович

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аверьянов, Игорь Олегович, 2012 год

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

Об усталостной прочности лопасти несущего винта вертолета при действии ветровых нагрузок

А.И. Братухина

Статья посвящена рассмотрению вопроса о напряжениях в невращающейся лопасти и втулке несущего винта вертолета под действием ветровых нагрузок. Сделано допущение, что вертолет находится на стоянке и его винт не вращается. Расчет проводился для несущего винта с шарнирным креплением лопастей. Решена задача о собственных и вынужденных колебаниях лопасти вертолета. Определены деформации и внутренние усилия (изгибающие моменты и напряжения в лонжероне лопасти). Проведен анализ результатов и оценено влияние швартовки лопасти в наземных условиях эксплуатации.

В данной работе рассмотрены случаи нагружения элементов конструкции лопасти и втулки в наземных условиях. Потребность в подобных расчетах всегда существует, в связи с постоянно встречающимися в эксплуатации повреждениями винтов при работе вертолета на земле.

Необходимость рассматривать наземные случаи нагружения вертолета подтверждена в "Нормах летной годности гражданских вертолетов", а также требованиями по сертификации, предъявляемыми за рубежом.

Рассматривается задача определения деформаций и внутренних усилий (изгибающих моментов и напряжений) в лонжероне лопасти несущего винта вертолета под действием ветровых нагрузок. Предполагается, что вертолет находится на стоянке и его винт не вращается. В некоторый момент времени на лопасть действует порыв ветра. Под действием порыва ветра на лопасти возникает аэродинамическая подъемная сила, которая в зависимости от направления ее действия, поднимает лопасть вверх или прижимает вниз. В результате этого лопасть совершает вынужденные колебания в вертикальной плоскости, а лонжерон нагружается изгибающим моментом, действующим в основном в плоскости наименьшей жесткости.

Расчет проводился для несущего винта с шарнирным креплением лопастей.

Движение лопасти относительно горизонтального шарнира происходит свободно до некоторого положения, характеризуемого углом ограничителя свеса (рис. 1а). После этого перемещение лопасти может происходить только за счет ее упругих деформаций. Таким образом, если колеблющаяся под действием внешней нагрузки лопасть находится выше линии OR, то ее движение описывается расчетной схемой, показанной на рис. 1б. После того, как точка А комля лопасти достигла упора ограничителя свеса, ее дальнейшее движение должно быть описано схемой, изображенной на рис. 1в. Для зашвартованной лопасти расчетная схема соответствует рис. 1г.

Малые колебания лопасти невращающегося несущего винта вертолета описываются дифференциальным уравнением в частных производных :

. (1)

В уравнении: - перемещение сечения лопасти в плоскости наименьшей жесткости; - изгибная жесткость сечения лопасти относительно главной оси, лежащей в плоскости хорд; - внешняя распределенная нагрузка:

, (2)

Погонная масса лопасти;

Ускорение силы тяжести.

После подстановки (2) в (1) получим

(3)

Решение уравнения (3) представим в виде разложения в ряд по собственным формам колебаний :

, (4)

где - число собственных форм, принимаемых в расчете;

Форма - ого тона собственных колебаний лопасти в пустоте, которая является функцией ее радиуса;

Некоторые функции времени (коэффициенты деформаций).

Собственные формы определяются из дифференциального уравнения (3), когда его правая часть равна нулю:

(5)

После определения частот и форм собственных колебаний в решении (4), неизвестными останутся только коэффициенты деформаций . Применяя метод Б.Г. Галеркина к системе дифференциальных уравнений изгибных колебаний лопасти, записанных в частных производных (3), после двукратного дифференцирования, получим:

, (6)

. (7)

Подставим (4), (6) и (7) в уравнение (3), а затем умножим его поочередно на и проинтегрируем по радиусу лопасти. В силу ортогональности собственных форм получим систему обыкновенных дифференциальных уравнений, связанных между собой только через аэродинамическую нагрузку:

(8)

;

Частота собственных колебаний лопасти по j-ому тону,

.

Расчет аэродинамических сил, входящих в правую часть уравнения (8), выполняется в зависимости от аэродинамических коэффициентов подъемной силы и силы сопротивления от угла атаки профиля лопасти и числа Маха, полученных по результатам продувок в аэродинамических трубах. Вычисление коэффициентов деформации лопастей выполняется методом численного интегрирования уравнения (8).

Под действием ветровой нагрузки лопасть вертолета, находящегося на стоянке, начинает движение в вертикальной плоскости. В зависимости от того, находится ли лопасть на ограничителе свеса или отошла от него, в решении (4) используются шарнирные или консольные формы колебаний. Коэффициенты деформации, определяемые из системы дифференциальных уравнений (8), также будут соответствовать шарнирным или консольным формам. При колебательном движении лопасти в момент изменения консольных форм на шарнирные и наоборот должно соблюдаться условие сопряжения решений. Это может быть получено путем обеспечения равенства перемещений и скоростей движения лопасти в момент смены форм. Обозначим перемещения и скорости для шарнирно опертой лопасти через

(9)

(10)

а для консольного закрепления

, (11)

. (12)

Приравнивая выражения (9), (11) для перемещений и (10), (12) для скоростей движения и учитывая угол , получим после некоторых преобразований начальные условия для коэффициентов деформации и их производных в момент времени, когда лопасть поднимается с ограничителя свеса:

(13)

Введение к работе

Несущая система вертолетов является главным агрегатом, который обеспечивает существование вертолета как летательного аппарата, обладающего вертикальными взлётом и посадкой и не требующего специально подготовленных взлетно-посадочных площадок. Именно её безотказное функционирование обеспечивает безопасность полета вертолета во всех ожидаемых условиях эксплуатации, в том числе и на неустановившихся режимах, таких как взлет, разгон, посадка и маневры. Процесс проектирования и обеспечение заданных ресурсов требует наличия расчетных методик и прикладного математического обеспечения для определения нагрузок на агрегаты несущей системы и расчета её динамики, как на стадии проектирования, так и в процессе лётных и сертификационных испытаний.

Расчеты нагрузок на лопастях винтов вертолета на маневренных режимах является одной из важнейших задач проектирования несущих систем вертолета, поскольку высокие напряжения в конструкции лопасти на этих режимах существенно влияют на их ресурс. Для расчёта несущих систем, работающих на таких режимах, используют приближённые методы расчёта, что существенно снижает их надёжность. При расчёте установившихся режимов существующие методики также используют допущения, снижающие точность расчётов.

В связи с этим, задача разработки универсального метода расчёта лопастей несущих винтов вертолёта, позволяющего рассчитывать как установившиеся, так и неустановившиеся режимы полёта (манёвренные, переходные) и получать более точные, по сравнению с существующими методами, результаты, является весьма актуальной .

Целью данной работы является разработка обобщённой методики расчёта лопастей несущего винта вертолёта при сложном нагружении (с учётом кручения лопасти и изгиба в двух плоскостях) в условиях установившихся и неустановившихся режимов полёта, позволяющей существенно повысить точность расчётов.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

Разработка математической модели несущей системы вертолёта на основании уравнений деформаций лопасти несущего винта.

Разработка метода решения задач на определение параметров собственного движения лопасти, возникающих при проектировании несущих систем вертолётов.

Разработка метода решения задач вынужденных колебаний лопасти, позволяющих производить её расчёт при любых режимах полёта, в том числе и при неустановившихся.

Получения решения для ряда практических задач, возникающих при проектировании несущих систем вертолётов, на основании разработанных алгоритмов расчёта.

Научная новизна

Разработана математическая модель несущего винта на основании уравнений деформаций лопасти, отражающая поведение лопастей на установившихся и неустановившихся режимах полёта.

Разработан алгоритм расчёта параметров собственного движения лопасти, позволяющий решать задачи с меняющимися во времени граничными условиями.

Разработан алгоритм расчёта напряжённо деформированного состояния лопастей, работающих в условиях неустановившихся режимов, позволяющий рассчитывать опасные напряжения, возникающие в конструкции в каждый момент времени.

Разработана методика расчёта характеристик несущего винта и его нагружения, с одновременным расчётом всех упругих лопастей, входящих в несущий винт.

Практическая значимость и реализация результатов

Разработанный метод расчёта лопастей несущих винтов вертолёта, позволяет определить величины напряжений и деформаций, возникающих в лопасти, работающей в условиях манёвренных и переходных полётных режимов, а также определять параметры собственного движения лопастей.

Достоверность результатов

Обоснованность научных положений и достоверность полученных результатов подтверждается использованием сертифицированных программных сред (Excel, Visual basic) при разработке алгоритма решения, применением аппарата высшей математики, теоретической механики и теории упругости. Полученные результаты сравнивались с решениями, получаемыми в сертифицированной программной среде MSC Patran/Nastran, с существующими точными решениями, с результатами экспериментальных исследований и решениями других авторов.

Апробация работы

ВВЕДЕНИЕ

Вертолетостроение традиционно было лидирующим в применении композитов. В последнее время доля их использования в конструкции вертолета существенно возросла. Использование композитов предъявляет дополнительные требования к содержанию знаний конструктора. Сложность конструирования деталей, выполняемых из композитов, обусловлена тем, что деталь и материал изготавливаются одновременно. Поэтому наряду с выбором внешней формы, оптимальной с точки зрения изготовления детали, конструктор должен определить структуру композита, которая была бы оптимальна для выбранной формы детали и наилучшим образом соответствовала действию внешних нагрузок. Для успешного решения этой задачи конструктор должен знать свойства композитов, методы их расчета и способы изготовления из них конструкций .

С первого взгляда, для получения наилучшей конструкции достаточно составить математическую модель проектируемого объекта и найти его оптимальные параметры по одному или нескольким заранее выбранным критериям эффективности. Однако есть принципиальные трудности, которые не позволяют решить эту задачу достаточно корректно. Во-первых, определение оптимальных параметров конструкции возможно лишь для заданной конструктивно-силовой схемы, при этом остается нерешенным вопрос об оптимальности самой схемы. Во-вторых, не всегда удается формализовать все ограничения и требования к конструкции при построении математической модели. Выбор и определение комплексного критерия оптимизации также является достаточно сложной и неоднозначной в своем решении задачей. Поэтому упомянутые вопросы конструирования обычно решаются последовательно, в порядке определенного соподчинения .

Значительный прогресс в совершенствовании процесса проектирования достигается при переходе на CAD/CAM/CAE технологии. Имеющийся в них широкий набор инструментов автоматизации конструкторских работ позволяет не только сократить сроки проектирования и выпуска изделия, но и повысить качество конструкции по многим показателям .

Целью данного дипломного проекта является:

– оптимизация конструкции лонжерона лопасти несущего винта вертолета. Подбор оптимальной конструкции будет осуществляться с использованием персонального компьютера и прикладной программы Solid Works;

– оценка возможности использования прикладной программы Solid Works как инструмента системы автоматизированного проектирования (САПР) конструкций из КМ.

НЕСУЩИЙ ВИНТ ВЕРТОЛЕТА

Общие требования к конструкциям элементов несущего винта

Общие требования, предъявляемые к конструкции элементов НВ, противоречивы и проектирование несущей системы вертолета является сложной задачей нахождения компромисса между ними. Требования можно подразделить на следующие группы.

Аэродинамические требования. Взаимное расположение частей НВ, его формы и параметры должны обеспечивать высокие летно-технические характеристики. Конструкция лопастей должна обеспечивать заданные характеристики аэродинамического контура и балансировку в пределах, которые позволяют эксплуатировать вертолет с учетом установленных ограничений, ресурсов и сроков службы .

Требования прочности. Все элементы конструкции вертолета должны выдерживать все виды нагрузок в соответствии с нормами летной годности вертолетов, в которых предусмотрены различные случаи нагружения частей вертолета .

По видам нагрузок элементы несущего винта должны проектироваться с учетом статической, усталостной прочностей и их совокупности. Также, ввиду того, что лопасть НВ является длинномерной конструкцией, необходим учет прочности по устойчивости конструкции.

Статическая прочность конструкции проверяется при больших редко действующих нагрузках. При этом расчет и выбор параметров конструкции проводится по разрушающей нагрузке Рразр. которая должна превосходить эксплуатационную Рэ в некоторое число раз. Это число называют коэффициентом безопасности f . Для авиационных конструкций f принято выбирать равным 1,5. Чрезмерное увеличение значения этого коэффициента ведет к возрастанию габаритов и массы, что является недопустимым для конструкции летательного аппарата. Для каждого агрегата вертолета и конкретного случая его нагружения рекомендуемые значения коэффициентов безопасности даются в "Авиационных правилах". Начальным этапом определения размеров детали является проектировочный расчет по допускаемым напряжениям. Размеры сечений детали рассчитываются таким образом, чтобы действующие в них напряжения от расчетной нагрузки ур, были равны допускаемым напряжениям [у], [ф]. В качестве допускаемых напряжений принимаются пределы прочности у в, ф в или текучести у т в зависимости от характера и условий нагружения конструкции. Определенные трудности возникают при выборе допускаемых напряжений в деталях, изготавливаемых из композиционных материалов, вследствие особенностей характера их разрушения. На рисунке 1.1 представлена диаграмма изменений напряжений в зависимости от удлинения образца однонаправленного стеклопластика при приложении нагрузки вдоль армирующих волокон .

В начале нагружения до некоторого момента материал сохраняет целостность и ведет себя как упругий, подчиняясь закону Гука: у = Е·е. После достижения напряжений, соответствующих точке 1 (рисунок 1.1), в связующем на разделе сред появляются мелкие трещины. Армирующие элементы здесь не разрушаются, и конструкция не теряет несущих свойств. Более того, для некоторых материалов наблюдается увеличение жесткости. На второй стадии (рисунок 1.1, точка 2) вдоль армирующих элементов появляются значительные трещины, но волокна не повреждаются. Конструкция еще сохраняет несущие свойства. На третьей стадии (рисунок 1.1, точка В) армирующие нити рвутся, и материал полностью разрушается. Если допускаемые напряжения при действии максимальных эксплуатационных нагрузок выбирать соответствующими последней стадии разрушения (ув), то может оказаться, что при действии номинальных нагрузок материал будет находиться в первой или второй стадиях разрушения. Это недопустимо, поскольку при повторных нагрузках трещины в конструкции будут расти, ускоряя ее разрушение. Поэтому прочность деталей из композиционных материалов следует оценивать как при максимальных, так и при номинальных нагрузках эксплуатации. Это противоречие в ряде случаев преодолевается выбором большого значения коэффициента безопасности f = 2,0-2,5 и занижением допускаемых напряжений в композите до уровня 2/3ув при расчете конструкции на предельную несущую способность.

Рисунок 1.1 - Диаграмма изменений напряжений у в зависимости от удлинения образца е однонаправленного стеклопластика, где у1 и е1 - напряжение и деформации согласно закону Гука; у2 - напряжение появления значительных трещин без повреждения волокон; ув - напряжение разрушения образца; 1 - точка предела пропорциональности; 2 - точка; характеризующая начало накопления трещин; В - разрушение композита

При расчете лонжерона по условиям статической прочности (для случая падения лопасти на ограничитель свеса) ставится условие, чтобы расчетные напряжения в слое не превышали у1. Это делается с целью недопущения микротрещин даже при статическом, кратковременном нагружении. В дальнейшем они могут привести к снижению усталостной прочности при действии циклических нагрузок. При таком подходе лопасть несущего винта приобретает большой ресурс, ограниченный не столько усталостными характеристиками исходного материала, сколько другими факторами, например временем его естественного старения .

Расчет конструкции, работающей на устойчивость, производится по разрушающим нагрузкам и сводится к определению критической силы потери устойчивости Ркр, которая должна быть не меньше расчетной Рр.

Усталостные разрушения составляют основной вид разрушения механических агрегатов вертолета и нередко приводят к тяжелым последствиям. На усталостные характеристики композиционных материалов оказывает влияние множество факторов. Среди основных: состав и структура материала, температура, влажность окружающей среды, вид нагружения. Поэтому для каждого образца материала, который предполагается использовать в конструкции, необходимо проводить полный цикл усталостных испытаний. Усталостную прочность композитов, как и у металлов, оценивается кривыми усталости. Между усталостными и статическими характеристиками композита существует прямая зависимость. Чем выше статическая прочность материала, тем лучше он сопротивляется усталости .

Практика использования композитов в конструкциях показала, что срок их службы в условиях действия переменных многоцикловых нагрузок значительно превышает срок службы аналогичных конструкций, выполненных из металлов. В частности, ресурс лопасти, выполненной из полимерных композитов, ограничен не столько возможностью усталостного разрушения, сколько изменением в течение длительной эксплуатации и хранения физико-механических свойств деталей лопасти и их клеевых соединений вследствие старения и охрупчивания .

Требования жесткости. Ввиду подверженности лопасти НВ знакопеременным нагрузкам, а также случаям значительного статического нагружения, конструкция лопасти должна обладать необходимой жесткостью для предотвращения остаточных деформаций и соблюдения заданного аэродинамического профиля поверхности лопасти. Следствием низкой изгибной и крутильной жесткости может стать потеря эффективности управления вертолетом, когда из-за изгиба и закручивания аэродинамической поверхности, находящейся под воздействием внешних сил, появляются неконтролируемые изменения углов установки и, соответственно, углов атаки по длине лопасти. Недостаточная изгибная и крутильная жесткость может стать причиной недопустимых явлений аэроупругости, таких, как флаттер и дивергенция .

Требование надежности. Основным требованием к вертолету и его конструкциям является надежность - способность выполнять свои функции с сохранением летных и эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение заданного промежутка времени . Конструкция элементов НВ вертолета, значения их прочности, жесткости, массы, ресурса должны обеспечивать надежность эксплуатации при заданных условиях работы и случаях внештатных нагрузок.

Технологичность конструкции. Конструкция элементов НВ вертолета должна обеспечивать возможность применения прогрессивных и экономичных технологических процессов .

Совершенство по массе. Для авиационных конструкций требование минимальной массы является обязательным, разумеется, при соблюдении прочности и жесткости. Поскольку лопасть НВ и ее составные элементы (лонжерон, узлы крепления) относятся к силовым элементам, то основным путем уменьшения массы служит выбор рациональной конструктивно-силовой схемы, применение конструкционных материалов с высокими характеристиками относительной прочности и относительной жесткости . Однако масса лопасти должна обеспечивать необходимые инерционные характеристики для безопасного полета в режиме авторотации несущего винта, а также соответствовать значениям, необходимым для устранения аэроупругих явлений (флаттера, дивергенции) .

Оптимальная масса конструкции может быть достигнута грамотным конструированием.

Долговечность конструкции. Долговечность - это общее время (обычно исчисляемое в годах) работы конструкции на номинальном режиме в условиях нормальной эксплуатации без существенного снижения расчетных параметров при экономически приемлемой суммарной стоимости ремонтов. Долговечность агрегатов вертолетов, особенно имеющих силовые детали и узлы, во многом определяется величиной их ресурса.

Ресурсом называется наработка агрегата (исчисляемая в часах) от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, после которого существует вероятность его разрушения . Для большинства основных агрегатов вертолета (лопастей и втулок несущих и рулевых винтов, систем управления винтами, трансмиссии, редукторов, подредукторной рамы и др.) устанавливается ресурс по условиям усталостной прочности .

Существует два способа проектирования авиационных конструкций по выносливости в условиях действия переменных нагрузок: проектирование по принципам "безопасного ресурса" и "безопасного повреждения".

При назначении безопасного ресурса предполагается, что в процессе отработки задаваемого срока службы ни в одной из деталей рассматриваемой серии не будут возникать усталостные трещины .

В конструкции с безопасным повреждением допускается появление трещин в отдельных силовых элементах конструкции, однако, трещины не должны приводить к разрушению или чрезмерной деформации всей конструкции. Это достигается выбором типа конструкции, при котором возможное разрушение или усталостные трещины только уменьшат до некоторой степени статическую прочность и жесткость конструкции, достаточные для завершения безаварийного полета вертолета. Увеличение допускаемых напряжений в элементах конструкции с безопасным повреждением может составлять 15-20 % по сравнению с соответствующими напряжениями, принимаемыми для конструкции безопасного срока службы. Выигрыш от применения безопасно повреждаемых конструкций заключается в уменьшении массы изделия, увеличении срока службы и уменьшения его стоимости .

Эффективным способом обеспечения безопасной повреждаемости является использование "избыточных" конструкций с несколькими каналами передачи нагрузок. Примером такого решения является лопасть несущего винта с многоконтурным лонжероном, показанная на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Отсек лопасти с многоконтурным лонжероном

При использовании в конструкции НВ композиционных материалов часто используется проектирование по принципу безопасного повреждения.