Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
18
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут”
КОЛОСКОВА Ганна Миколаївна
УДК 629.12:678.5
ПРОЕКТУВАННЯ ПАНЕЛЕЙ КРИЛ ЗІ СТІЛЬНИКОВИМ ЗАПОВНЮВАЧЕМ ПРИ КОМБІНОВАНОМУ НАВАНТАЖЕННІ
З УРАХУВАННЯМ НЕДОЛІКІВ ЙОГО ВИГОТОВЛЕННЯ
Спеціальність 05.07.02 –проектування літальних апаратів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти і науки України
|
Науковий керівник: |
доктор технічних наук, професор, Гайдачук Віталій Євгенович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, завідувач кафедри проектування ракетно-космічних апаратів |
|
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, професор Малков Ігор Владиславович, Східноукраїнський Національний університет ім. В.І. Даля, м. Луганськ, професор кафедри управління проектами |
|
кандидат технічних наук, доцент Івановська Ольга Володимирівна, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, м. Харків Доцент кафедри авіаційного матеріалознавства |
|
|
Провідна установа |
Авіаційний науково-технічний комплекс “Антонов”Міністерства промислової політики України |
Захист відбудеться “ 17 ” грудня 2004р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.03 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, 61070, г. Харків, вул. Чкалова, 17.
Автореферат розісланий “”листопада 2004р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Саприкін В.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність проблеми. Вдосконалення сучасної авіаційної і ракетно-космічної техніки (АРКТ) нерозривно пов'язане зі зниженням маси виробів при забезпеченні регламентованих експлуатаційних вимог. Нові можливості зниження маси створює застосування в агрегатах АРКТ з композиційних матеріалів (КМ) тришарової конструкції зі стільниковим заповнювачем (СЗ), що грає відповідальну роль в забезпеченні високої несучої здатності та інших функціональних властивостей стільникових конструкцій (СК), в залежності від умов їх експлуатації.
Завдяки своїй функціональності, конструкції з СЗ отримали широке використання у обшивках крил літального апарата (ЛА). Крило є основним високонавантаженим елементом ЛА, що створює підйомну силу. У польоті воно сприймає обертаючий, згинаючий моменти та перерізуючу силу. Панель обшивки крила сприймає розтягуючі (стискаючі) та зсуваючі навантаження, що є складним навантаженням при розрахунках на міцність таких панелей.
Однак якість СЗ, функціональні властивості та їх стабільність визначаються технологією їх виготовлення. В теперішній час існують різні види СЗ, кожний з яких характеризується геометрією ячейки і матеріалом, а також різницею технологічних процесів і обладнання для їх виготовлення. У будь-якому технологічному процесі існує ряд операцій, ідеальне виконання яких неможливе. Погрішності, що виникають, призводять до зміни розмірів і форм ячейки, що спричиняє зміни фізико-механічних властивостей СЗ, а отже, і міцнісних властивостей усієї панелі обшивки крила.
Таким чином, задача проектування тришарових панелей з СЗ у системі крила при комбінованому навантаженні стисканням та зсувом з урахуванням технологічних недосконалостей виготовлення СЗ є актуальною проблемою.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладені матеріали, що узагальнюють дослідження, виконані автором у рамках реалізації наступних держбюджетних тем: Г403-22/00 “Наукові основи проектування літальних апаратів з нових матеріалів із обліком технологічних, експлуатаційних і екологічних факторів” №ГР 0100U003445; Г403-32/2003 “Створення теоретичних основ технологічної механіки стільникових конструкцій для аерокосмічної техніки” № ГР 0103U004091.
Мета та задачі дослідження. Метою дисертації є проектне забезпечення створення оптимальних за масою тришарових панелей крила з полімерних КМ з СЗ із урахуванням технологічних недосконалостей його виготовлення, на основі методів математичного моделювання.
Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані і вирішені наступні задачі:
Об’єктом дослідження є тришарова панель зі СЗ.
Предметом дослідження є метод проектування тришарових панелей зі СЗ, що ураховує недосконалості його виготовлення.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконано на базі математичних моделей механіки деформованого твердого тіла. Експериментальні дослідження проводилися методом одержання у відбитому світлі профілю ячеєк СЗ у реальних тришарових панелях з подальшою статистичною обробкою профілю технологічних недосконалостей.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
Практичне значення отриманих результатів. Отримані в роботі результати дозволяють в комплексі реалізувати проектне забезпечення створення оптимальних за масою тришарових панелей крила ЛА з полімерних КМ з СЗ із урахуванням технологічних недосконалостей його виготовлення, при цьому:
Розроблені в дисертації методики впроваджені на АНТК “Антонов”, в УкрНДІТМ та навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”.
Особистий внесок здобувача полягає в розробці методики визначення конструктивних параметрів оптимальної за масою тришарової панелі з СЗ з урахуванням недосконалостей його виготовлення, а також в розробці методики обчислення гранично допустимих погрішностей виготовлення СЗ з умови збереження його несучої здатності. В основу розробки загальної концепції дисертації покладені ідеї наукового керівника проф. Гайдачука В.Є., у співавторстві з яким було опубліковано одну статтю і проведена апробація частини роботи на конференції у м. Ялті.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися автором на українських і міжнародних конференціях: “Человек и космос”III (м. Дніпропетровськ, травень 2001р.), “Человек и космос”IV (м. Дніпропетровськ, квітень 2002р.), “Человек и космос”V (м. Дніпропетровськ, квітень 2003р.), “Композиционные материалы в промышленности”(м. Ялта, Крим, червень 2003р.), “Проектирование и производство самолетов и вертолетов”(сел. Рибаче, 2004р.), “Человек и космос”VI (м. Дніпропетровськ, квітень 2004р.).
Публікації. Основний зміст роботи викладено в 7 публікаціях в збірниках наукових праць Переліку ВАК України, і 6 тезах та матеріалах конференцій.
Структура і об’єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів і загальних висновків, викладена на 130 стор. машинописного тексту, у тому числі текст дисертації складає 101 стор., містить 21 ілюстрацію на 13 стор., 2 таблиці на 5 стор. і список використаних джерел із 124 найменувань на 11 стор.
КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
В першому розділі проведено стислий огляд використання СК у сучасному літакобудуванні і зроблено аналіз переваги використання цих конструкцій у порівнянні з іншими.
Показано переваги і недоліки використання тришарових панелей з СЗ у системі кесона крила.
Наведено загальну схему проектування таких панелей, яка базується на визначенні оптимальних параметрів панелі з умови забезпечення загальної та місцевої стійкості та міцності панелі та її елементів при мінімумі маси.
Розглянуто типи СЗ і методи їх виготовлення. Показано, що виробництво конструкцій з СЗ включає в себе ряд технологічних операцій, ідеальне виконання яких неможливе. Кожна з них вносить певні технологічні погрішності, які регламентуються відповідними допусками, що в свою чергу впливає на міцнісні характеристики тришарової панелі.
Аналіз показав практично повну відсутність урахування погрішностей виготовлення СЗ і самої панелі на міцнісні характеристики СК в процесі її проектування.
На основі проведеного аналізу сформульовано мету і задачі дисертації.
Другий розділ присвячено розробці теоретичних основ визначення граничних допустимих відхилень при виготовленні тришарових панелей з СЗ у системі крила.
Проаналізовано процес появи погрішностей параметрів СЗ і особливості впливу їх на міцність самого заповнювача і панелі в цілому
(див. рис. 1).
Методом Бубнова-Гальоркіна вирішено задачу стійкості тришарової панелі при комплексній дії зусиль стискання і зсуву у вигляді вирішуючої системи рівнянь у матричному вигляді:
|
(1) |
де X – матриця невідомих коефіцієнтів функцій переміщення панелі, С –матриця числових коефіцієнтів системи, E –одинична матриця,
|
(2) |
де aпан, bпан –габаритні параметри панелі, N –критичне зусилля зсуву.
Рівняння (1) є рівнянням для визначення власних чисел матриці С. Критичне зусилля зсуву визначається з формули (2) при максимальному значенні . Таким чином, отримано метод визначення критичного зусилля зсуву при відомих значеннях зусилля стискання і фізико-механічних характеристик панелі, в тому числі модуля зсуву СЗ, які в явному вигляді залежать від технологічних погрішностей, що виникають:
|
(3) |
Технологічні погрішності параметрів СЗ –товщини t матеріалу сот , розмірів ячейки ac и bc – и , кута розтяжки β – й кута укладки сотоблока α – складають ПТН СЗ.
Показано, що вплив технологічної недосконалості СЗ на несучу здатність тришарової панелі виражається у відхиленні значення критичного зусилля зсуву в той чи інший бік.
Рис. 1 Схема проектування СК з урахуванням технології їх виготовлення
Завдання урахування технологічної недосконалості СЗ сформульовано у вигляді задачі забезпечення стабільності критичних зусиль для панелі, тобто знаходження значення критичного зусилля зсуву в границях діапазону допустимих значень:
|
, |
(4) |
|
де , |
–критичне зусилля зсуву ідеальної панелі, –критичне зусилля зсуву панелі з технологічними недосконалостями.
Визначено закономірності роздільного впливу параметрів ПТН СЗ на несучу здатність панелі, які дозволяють істотно спростити процес розрахунку при комплексному їх аналізі. Запропонований метод дозволяє вирішити задачу визначення кількісних характеристик якості СЗ у формі визначення значень параметрів ПТН СЗ.
В третьому розділі досліджено вплив появи технологічних недосконалостей на несучу здатність панелі.
Аналіз схеми розрахунку критичних зусиль стиску та зсуву показав неможливість прямого обчислення допустимих значень параметрів ПТН СЗ. На основі розробленого у другому розділі метода розрахунку несучої здатності неідеальної тришарової панелі запропоновано схему оцінки допустимості прийнятих значень відхилень геометричних параметрів СЗ за умовою стабільності (4) на стадії проектування панелі. Вона полягає у наступному. Зафіксувавши значення допустимого відхилення критичного зусилля стиску, можна визначити залежність граничних значень ПТН СЗ, при яких воно досягається. Відповідні значення знаходяться методами математичної оптимізації.
При заданому розрахунковому співвідношенні стискаючого та зсуваючого зусиль графіки цих залежностей показують область, точки усередині якої визначають допустимі комбінації значень параметрів ПТН СЗ. На рис. 2, 3 наведено варіанти роздільного і комплексного визначення допустимих значень параметрів ПТН СЗ для прийнятого в роботі розрахункового випадку.
Задавши один з допусків та наклавши його на графік, можна одержати значення допуску на другий параметр. Поля допусків на виготовлення панелі повинні знаходитись в області допустимих значень. Поява погрішності кута укладки призводить до звуження області допустимих відхилень, а отже, і до звуження результуючих полів допусків.
Рис. 2 Значення допустимих погрішностей виготовлення СЗ для Δt
Рис. 3 Визначення допустимих значень Δb і Δt в комплексі
з урахуванням
Якщо технологічні допуски перевищують отримані розрахункові відхилення, то можна зробити висновок про невиконання введеного критерію стабільності міцності СК. В цьому випадку необхідно змінити параметри конструкції панелі, після чого повторити процес розрахунку, або підвищити точність виготовлення і укладки СЗ.
Таким чином, запропонована схема оцінки допустимості технологічних допусків дозволяє розробить методику проектувального розрахунку тришарової панелі, яка враховує технологічні недосконалості, виникаючі при її виробництві. З іншого боку, на основі запропонованої схеми розрахунку допустимих відхилень параметрів СЗ можливо побудувати методику визначення оптимальних допусків на виробництво СЗ с урахуванням введених критеріїв міцності.
У четвертому розділі проведено експериментальне дослідження ПТН СЗ, на основі статистичного аналізу. Для виміру параметрів ячеєк заповнювача розроблено метод електронного копіювання, який базується на ефекті відносної оптичної прозорості НШ, що дозволяє при зустрічному рівномірному освітленні панелі світловим потоком, перпендикулярним площині панелі, одержати достатньо чіткі збільшені зображення структури ділянок панелі у вигляді фотографічного знімку (відбитка) або електронного зображення (рис. 4).
Рис. 4 Фрагмент панелі при зустрічному висвітленню зі збільшенням
Встановлено, що параметри , и αс (кут орієнтації окремої ячейки) є випадковими величинами, розподіленими за нормальним законом, що було підтверджено результатами перевірки за критерієм . Відносно високе значення коефіцієнта варіації, отримане для вибірок, свідчить про деяку нестабільність розмірів сторін кута орієнтації ячейки.
Кути орієнтації окремих ячеєк αс змінюються у достатньо широких межах. Значення кута α для конкретної панелі визначається як математичне очікування параметра αс..
Значення відхилень, що входять до ПТН СЗ, визначаються математичними очікуваннями параметрів , і αс. Розрахунок прогнозованої втрати стабільності для панелі, що досліджується, показав, що граничне значення відхилення критичного зусилля зсуву досягається при
,
і погрішності є неприпустимими при більших співвідношеннях .
У результаті проведених розрахунків було зроблено висновок про необхідність урахування імовірнісних характеристик параметрів ПТН СЗ в процесі проектування панелі, з тим, щоб мати можливість коректувати їх до її виготовлення, і розробки методів контролю параметрів ПТН СЗ в готовій панелі.
У п'ятому розділі на базі проведених досліджень розроблено методику та алгоритм проектування панелей крила з урахуванням ПТН СЗ, схему проектування наведено на рис. 5.
Наведено приклад проектування тришарової панелі обшивки крила для літака Ан-72 з урахуванням ПТН СЗ, що включає у себе розрахунок відхилень критичного зусилля стиску, які визначають рівень нестабільності несучої здатності.
На основі результатів проектувального розрахунку сформовані вимоги до технології виготовлення панелі, дотримання яких гарантує необхідний рівень стабільності, одночасно забезпечуючи економію маси.
У розділі обговорюються результати впровадження результатів дисертації на АНТК “Антонов”і УкрНДІТМ, а також у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.
Рис. 5 Схема проектування тришарової панелі крила з урахуванням ПТН СЗ
ВИСНОВКИ
У відповідності з поставленою метою в дисертації отримані наступні наукові та практичні результати.
Якщо технологічні допуски перевищують отримані розрахункові відхилення, то можна зробити висновок про невиконання введеного критерію стабільності міцності СК. В цьому випадку необхідно змінити параметри конструкції панелі, або підвищити точність виготовлення та укладки СЗ.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:
[1] –автором проведено аналіз ефективності використання тришарових панелей;
[4] –автором виконано аналіз виникнення технологічних недосконалостей виготовлення СЗ, та їх впливу на несучу здатність панелі, запропоновано методику визначення гранично допустимих погрішностей виготовлення СЗ;
[7] –автору належить розробка схеми проектування тришарової панелі зі СЗ з урахуванням профілю технологічних недосконалостей.
АНОТАЦІЯ
Колоскова Г.М. Проектування панелей крил зі стільниковим заповнювачем при комбінованому навантаженні з урахуванням недоліків його виготовлення. Дисертацією є рукопис, представлений на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 –проектування літальних апаратів. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України, Харків, 2004 р.
Дисертація містить нові теоретичні та практичні результати досліджень можливостей урахування при проектуванні тришарових панелей зі стільниковим заповнювачем технологічних недоліків його виготовлення.
Проведено аналіз виникнення та взаємодії недоліків, що з’являються при виготовленні стільникового заповнювача та тришарової панелі у цілому, а також їх вплив на несучу здібність. Наведено алгоритм знаходження профілю технологічних недоліків стільникового заповнювача.
Запропонована методика оптимізації допусків на виготовлення стільникового заповнювача тришарової панелі з забезпеченням заданої несучої здібності конструкції.
Результати досліджень впроваджені на АНТК “Антонов”, УкрНДІТМі та в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.
Ключеві слова: тришарові панелі крила літака, стільниковий заповнювач, методики проектування, технологічні недоліки виготовлення, комбіноване навантаження.
АННОТАЦИЯ
Колоскова А.Н. Проектирование панелей крыльев с сотовым заполнителем при комбинированном нагружении с учетом несовершенств его изготовления. Диссертация является рукописью, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 –проектирование летательных аппаратов. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”Министерства образования и науки Украины, Харьков, 2004 г.
Диссертация содержит новые теоретические и практические результаты исследований возможностей учета при проектировании трехслойных панелей с сотовым заполнителем технологических несовершенств его изготовления.
Проведен анализ возникновения и взаимодействия погрешностей, появляющихся при производстве сотового заполнителя и трехслойной панели в целом, а также их влияние на несущую способность. Приведен алгоритм нахождения профиля технологических несовершенств сотового заполнителя.
Показано, что влияние технологического несовершенства СЗ на несущую способность трехслойной панели выражается в отклонении значения критического усилия сдвига в ту или иную сторону. Задача учета технологического несовершенства СЗ сформулирована в виде задачи обеспечения стабильности критических усилий для панели.
Предложена схема оценки допустимости технологических допусков позволившая разработать методику проектировочного расчета трехслойной панели, учитывающую технологические несовершенства, возникающие при ее производстве.
Предложена методика оптимизации допусков на изготовление сотового заполнителя трехслойной панели с обеспечением заданной несущей способности конструкции.
Проведено экспериментальное исследование профиля технологических несовершенств сотового заполнителя, на основе статистического анализа. Для замера параметров ячеек заполнителя разработан метод электронного копирования, основанный на свойстве относительной оптической прозрачности несущих слоев при встречном равномерном освещении панели световым потоком, перпендикулярным плоскости панели. Данный метод позволяет получать увеличенные изображения структуры участков панели в виде фотографического снимка или электронного изображения.
Разработана методика и алгоритм проектирования панелей крыла с учетом профиля технологических несовершенств сотового заполнителя.
Представлен пример проектирования трехслойной панели обшивки крила с учетом ПТН СЗ, включающий в себя расчет отклонений критического усилия сжатия, которые определяют уровень нестабильности несущей способности.
Результаты исследования внедрены на АНТК “Антонов”, УкрНИИТМе и в учебном процессе Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”.
Ключевые слова: трехслойные панели крыла самолета, сотовый заполнитель, методики проектирования, технологические несовершенства изготовления, комбинированное нагружение.
SUMMARY
Koloskova A.N. Designing of wing panels with honeycomb core at combined loading in view of its manufacturing imperfections. The thesis is the manuscript submitted (shown) on an academic degree competition of engineering sciences candidate’s on a specialty 05.07.02 - designing of the aircrafts. National Aerospace University named after N.E. Zhukovsky “KhAI”, the Ministry of Education and Sciences of Ukraine, Kharkov, 2004.
The thesis contains new theoretical and practical results of investigations for technological imperfections account capabilities at designing of sandwich panels with honeycomb core.
The analysis of occurrence and interaction of the errors appearing in manufacture of the honeycomb core and the sandwich panel as a whole, and also their influence on lift capability is carried out. The algorithm of honeycomb core technological imperfections profile finding is adduced.
The optimization technique of tolerances on sandwich panel honeycomb core manufacturing with maintenance of the given design lift capability is offered.
Research results are introduced on ASTC “Antonov”, UkrSRITM and in education process of National Aerospace University named after N.E. Zhukovsky “KhAI”.
Key words: sandwich panels of the airplane wing, honeycomb core, designing techniques, technological imperfections of manufacturing, combined loading.
Підписано до друку
Умовн. друк. арк.1. Тираж 30 екз. Заказ №485
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут”
, м. Харків, вул. Чкалова, 17, www.khai.edu
Видавничий центр “ХАІ”
61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, izdat@khai.edu