В данной работе Объектом исследования является шпангоут, входящий в силовую конструкцию летательного аппарата. Такой курсовой проект выполняют студенты 3-его курса кафедры КиПЛА(конструкции и проектирования летательных аппаратов).
В данной работе рассматривается задача проектирования силового шпангоута с применением метода конечных элементов(МКЭ). В данном случае МКЭ используется для оптимизации конструкции шпангоута на основе «равнопрочности» конструкции, а также для топологической оптимизации по методу твердого изотропного материала с пенализацией (на англ. SIMP).
Студентам даются исходные данные для проектирования шпангоута:
Исходя из условий задания, проводятся вычисления, определяются существующие аналоги. Разрабатывается новая модель, основанная на результатах оптимизации.
Шпангоут №19 Ту-154
Шпангоут установлен в салонной части фюзеляжа и служит опорой для шасси.
Он изготовлен из алюминиевого сплава с помощью горячей штамповки. Пластина и балка связаны друг с другом заклепками. Шпангоут состоит из 2 мощной поперечной балки 2 и 3, стоек 4 и пластины. Притом балка 2 также выполняет функции пола. Конструкция хорошо воспринимает изгибающий момент от приложенных сил и горизонтальную составляющую, равномерно распределяет вертикальную силу на стенки обшивки.
Конструктивно шпангоут состоит из двух мощных балок и пластины, соединяющей их, а также внешнего пояса и подкрепляющих стержней (стоек и уголков).
Все детали выполнены из деформируемого алюминиевого сплава методом горячей штамповки и соединены между собой заклепками.
Исходя из вышесказанного, шпангоут довольно технологичен. Пояса балок и все стенки имеют неизменную геометрию. Верхней частью шпангоута служит профиль (I), имеющий вырезы под стрингеры. Нижняя часть шпангоута состоит из пояса (5) и герметичной стенки (3), подкрепленной вертикальными стойками (4). Поперечная балка (2) является элементом каркаса пассажирского пола.
Шпангоут служит задней опорой продольных балок передней опоры шасси и нужен для обеспечения прочности.
Шпангоут самолета АН-2
Ан-2 – многоцелевой самолет короткого взлета и посадки грузоподъемностью 1000-1500 кг для обслуживания труднодоступных районов страны, удовлетворения нужд сельского хозяйства и применения в качестве легкого военно-транспортного.
Шпангоут размещается рядом с кабиной пилотов и служит опорой для передних подкосов шасси, а также несет противопожарный баллон.
Шпангоут выполнен из авиационного алюминиевого сплава. Все детали, кроме несущих противопожарный баллон, выполнены с помощью штамповки. В шпангоуте присутствует множество уголков и облегчающих отверстий в пластине. Контур шпангоута склепан из двух прессованных уголковых профилей. Стенка подкреплена стойками швеллерного сечения. Боковины шпангоута доведены до фонаря кабины пилотов и закреплены на верхних лонжеронах фюзеляжа. Снизу на шпангоуте приклепан внутренний узел из сплава АК6 для крепления стального башмака передних подкосов шасси.
Шпангоут состоит из пластины (мембраны) постоянной толщины и прессованных уголков (стержень).
Детали выполнены из деформируемого алюминиевого сплава методом горячей штамповки. Они соединены между собой заклепками. Узел выполнен с помощью литья.
Практически все детали легко выполнить с помощью штамповки. Самая сложная в технологическом плане деталь – узел для противопожарного баллона.
Шпангоуту необходима достаточная жесткость для выдерживания нагрузки от стоек шасси и поддержки пола в кабине пилотов.
Шпангоут самолета Де-Хэвиленд Канада DHC-6 Твин Оттер
Двадцатиместный турбовинтовой пассажирский самолет с укороченным взлетом и посадкой, разработанный канадским подразделением компании de Havilland. Пригоден для эксплуатации с неподготовленных грунтовых площадок, широко используется на воздушных линиях малой протяжённости, на аэродромах с короткими ВПП, в экспедиционных условиях.
Шпангоут установлен в центральной части фюзеляжа и служит для крепления к нему основной опоры шасси (колёсного либо поплавкового типа), а также для крепления подкосов крыла.
Радиус фюзеляжа R в зоне установки шпангоута около 1,15 м. Шпангоут имеет переменную строительную высоту. В верхней части шпангоута строительная высота около 0,17R. К боковинам фюзеляжа она сначала плавно увеличивается до 0,2R в углах верхней части, а затем также плавно уменьшается до 0,15R. К нижней зоне шпангоута строительная высота увеличивается до 0,3R.
Конструктивно шпангоут состоит из внешних и внутренних поясов, стенки, ребер жесткости и стыковых фитингов.
Внешний пояс состоит из 5 деталей. Выполнен из деформируемого алюминиевого сплава. Возможная расчетная схема – стержень поперечного сечения, работающий на растяжение-сжатие. По всему внешнему контуру площадь поперечного сечения верхнего пояса остается постоянной. Внешний пояс соединен с обшивкой фюзеляжа заклепками. Стрингеры разрезные и стыкуются между собой через внешний пояс шпангоута. Для перестыковки некоторых силовых стрингеров используются фитинги.
Внутренний пояс состоит из 5 деталей прямоугольного сечения. Все детали выполнены из деформируемого алюминиевого сплава соединены между собой заклепками. Возможная расчетная схема – стержень с постоянной площадью поперечного сечения, работающий на растяжение-сжатие, так как площадь поперечного сечения внутреннего пояса по контуру шпангоута не меняется.
Стенка выполнена из листовой заготовки постоянной толщины. В стенке имеется ряд отверстий в верхней части шпангоута для жгутов электропроводки. Вдоль фюзеляжа, помимо стрингеров, идут лонжероны, которые подкрепляют стенку, обеспечивая устойчивость до высокого уровня напряжений. Поэтому возможная расчетная схема для стенки – мембранная пластинка постоянной толщины.
Достоинствами с точки зрения технологичности шпангоута является использование недорогих и недефицитных материалов, максимальная унификация элементов конструкции, материалов и полуфабрикатов. Недостатком является относительно непростая геометрия шпангоута.
Далее студенты анализируют аналоги и принимают решение о создании своего шпангоута.
Горизонтальная составляющая силы P может быть самоуравновешена на шпангоуте. Она не образует крутящего момента, только сжимающие напряжении на шпангоуте. Эту составляющую можно передать через пластину, если «размазать» нагрузку по шпангоуту, либо уравновесить с помощью стержня, если соединить узлы друг с другом. Так делается в самолетах Ту-154 и Як-52.
Вертикальная составляющая не может быть уравновешена, значит, ее надо передать на обшивку. Ее будет передавать пластина, работая на сдвиг. В точке приложения силы необходимо поставить узлы, которые бы передавали силу на стенку шпангоута, а она в свою очередь – на обшивку. Притом если уравновесить горизонтальную составляющую с помощью балки, то эта балка будет испытывать изгиб от вертикальной составляющей.
Разработка основных требований к проектируемому шпангоуту
Условия работы шпангоута:
· шпангоут установлен в негерметичном отсеке;
· доступ для осмотра затруднен;
· температура эксплуатации от -20 до +30°С;
· большие нагрузки.
Кроме этого к детали предъявим дополнительные требования:
Функциональные. Шпангоут должен иметь:
· минимальную массу;
· достаточную прочность и жесткость;
· ресурс, равный ресурсу планера самолета;
· соответствие установленным компоновочным требованиям;
· способность поддержать форму фюзеляжа;
· способность к восприятию нагрузок.
Эксплуатационные требования:
· минимальные затраты при производстве;
· возможность запуска в серийное производство;
· возможность ремонта и замены деталей;
· должны использоваться ранее опробованные решения.
Производственно-технологические требования:
· широкая распространенность материала, используемого в шпангоуте;
· высокая технологичность производства и шпангоута;
· доступность инструментов;
· стандартизированность деталей;
Так же фюзеляж должен соответствовать экономическим и экологическим требованиям.
Разработка «традиционного» варианта силовой схемы шпангоута
Разработку рационального варианта шпангоута при заданных граничных условиях начнем с рассмотрения «традиционного» пшангоута с постоянной строительной высотой 0,1 R - вариант "Tr". Для анализа весовой эффективности этой силовой схемы необходимо создать конечно-элементную модель (КЭМ).
При делении шпангоута на 36 частей точка приложения силы совпадает с точкой, генерируемой сеткой.
Следует учесть, что конструктивно «традиционный» шпангоут состоит из поясов, моделируемых стержневыми элементами Rod, и стенки, работающей в плоском (мембранном) напряженном состоянии. При моделировании цилиндрической оболочки предполагаем, что используется фюзеляж типа "монокок" и поэтому можно выбрать конечные элементы Membrane. Результаты рассчетов можно увидеть на рисунке.
Изучение модели на эффективность показывает, что при такой схеме коэффициент эффективности составляет 15,89кг.
Вес конструкции – 64,59 кг.
Разработка рационального варианта силовой схемы шпангоута на основе интуитивных соображений
Опираясь на результаты анализа задания и интуитивные соображения необходимо составить интуитивный вариант шпангоута. Далее для «интуитивного» шпангоута создается КЭМ, производится статический расчет и выполняется анализ напряженно – деформированного состояния конструкции, определяется силовой фактор и делается проверка равновесия для шпангоута с оболочкой, имеющей толщину 3 мм.
Схема интуитивного шпангоута и результата его расчета изображены на рисунке.
Коэффициент эффективности – 12,65 кг. Вес конструкции – 117,1 кг.
Разработка технологически реализуемых вариантов силовой схемы, максимально приближенных к теоретически оптимальной конструкции
Для "рационального" шпангоута – варианты "Rat" – создается конечно-элементная модель, производится статический расчет и выполняется анализ напряженно-деформированного состояния конструкции (рисунок 11), определяется силовой фактор.
Коэффициент эффективности – 11,08 кг. Вес конструкции – 128,5 кг.
Сравнительный анализ разработанных вариантов силовой схемы шпангоута
В итоге согласно коэффициенту эффективности рациональная модель оказалась лучше всех моделей, кроме оптимизированной. С другой стороны, вес шпангоутов показывает, что ни интуитивная модель, ни рациональная не облегчены достаточно сильно. Малый вес традиционного шпангоута по сравнению с интуитивным и рациональным объясняется тем, что в нем не выполняются условия прочности (577 МПа против дозволенных 270 МПа), то есть шпангоут при данных условиях просто не сможет выдержать нагрузку. Интуитивный и рациональный шпангоут, напротив, недогружены, но они способны выдерживать нагрузку.
Благодаря изучению шпангоутов-аналогов, то есть опираясь на ранее опробованные решения, удалось создать модель шпангоута, близкую к рациональной. Оптимизация шпангоута и анализ потоков главных усилий позволил доработать конструкцию и еще больше облегчить ее. Конструкция технологична, так как состоит из стенки постоянной ширины и стержня, который можно выполнить с помощью штамповки. Тем не менее, рациональный шпангоут требует последующей доработки с подбором площади стержней и толщины пластин.
Узнать подробнее о кафедре КиПЛА и ее деятельности можно в официальном Инстаграм-аккаунте кафедры https://www.instagram.com/kipla_ssau/