Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из приоритетных целей научно-технического прогресса в настоящее время является широкомасштабная комплексная автоматизация всех отраслей народного хозяйства, науки и техники.
Для достижения этой цели важное значение имеет создание прецезионных быстродействующих и высоконадежных приводов, т.е. аппаратуры, передающей и трансформирующей управляющие воздействия, вырабатываемые ЭВМ или человеком-оператором, в действия рабочих органов определенной системы.
Б качестве исполнительных органов систем управления (СУ) приводов рулевых систем летательных аппаратов (ЛА), рабочих органов шасси и т.д. широко применяются гидра и пневмоприводы. Во всех этих объектах они являигся 'подсистемой более сложной системы и обеспечивают возможность и эффективность ее использования в целом.
Все многообразие элементов, составляющих гидро и пневмоприводы, можно разбить на группы , одну из которых образуют дроссельные устройства - различные элементы, предназначенные для регулирования давления и скорости рабочего тела, проходящего через суженное отверстие.
Составным элементом практически всех систем гидро и пневмоавтоматики ЛА являются гидравлические и пневматические дроссели (ГПЗДр) . Надежность последних определяет надежность гидро и пневмопривода, а следовательно и надежность всего ЛА.
Конструктивно гидравлические и пневматические дроссели представляют собой корпусные элементы, в которых две или несколько полостей с рабочей жидкостьп или газом соединяются друг с другом каналами определенного поперечного сечения и длины. Площадь поперечного сечения и длина канала может быть постоянной (нерегулируемые дроссели) или переменной (регулируемые дроссели). Имеется множество различных конструктивных схем регулируемых и нерегулируемых дросселей, но канал, соединяющий полости с рабочим телом, как необходимый элемент, присутствует во всех типах конструкций дросселей.
Отказ, т. е. нарушение работоспособности объекта, применительно к ГШДр вызывается незапланированным изменением плошали
или формы поперечного сечения дросселирующего канала. Довольно часто причиной отказа является механическое разрушение в области дросселирующего канала. Такой отказ может быть как постепенным - когда в области дросселирующего канала механические напряжения в материале корпуса дросселя превышают предел текучести и канал необратимо деформируется при каждом нагружении ^.дросселя давлением рабочего тела, так и внезапным - когда в области дросселирующего канала возникает и растет трещина. Обычно рост трещины приводит к полному разрушению корпуса дросселя.
Га причинам возникновения отказ из-за механического разрушения в области дросселирующего канала чаще всего относится к группе конструкционных, обусловленных несоответствием конструкции дросселя условиям эксплуатации или, реже, - к группе производственных, то есть вызванных наличием несовершенств в материале дросселя в области больших механических напряжений.
Анализ практики отказов систем пневмоавтоматики показывает, что механическое разрушение элементов дросселей является достаточно распространенным и крайне опасным явлением, бороться с которым можно лишь путем создания рациональных с точки зрения прочности конструкций дросселирующих устройств.
Современная тенденция к миниатюризации и комплексированию
устройств гидро-пнеБмовтоматики при применении новейших мате
риалов и технологий с новой остротой ставит проблему рацио
нального проектирования элементов гидро-пневмоавтоматики, и, в
частности, проблему оптимального проектирования дросселирующих
элементов. Данная проблема тесно связана с проблемами опреде
ления механических напряжений в конструкциях дросселирующих
элементов, т. к. именно высокие уровни напряжений в области
дросселирующего канала, вызванные концентрацией напряжений, в подавляющем большинстве случаев приводят к отказу, связанному с механическим разрушением дросселирующих, устройств.
Создание дросселирующих элементов с минимальными уровнями напряжений е их корпусах и минимальной концентрацией напряжений в области дросселирующего канала позволяет повысить надежность и эффективность систем гидро и пневмоавтоматики , а значит и надежность ЛА в целом.
При этом, проектирование дросселирующих элементов с оптимальными уровнями напряжений позволит существенно сократить габариты и вес устройств, что приведет к уменьшению материалоемкости и повышению эффективности ЛА в целом.
Все вышесказанное дает основание утверждать, что проблема расчета и исследования напряженного состояния корпуса пневматического (гидравлического) дросселя системы управления ЛА весьма актуальна и может рассматриваться как имеющая важное народнохозяйственное значение.
Дели работы состоят в следующем:
разработка методов и алгоритмов численного расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) корпусных деталей пневматических дросселей систем управления ЛА при. больших градиентах напряжений в области дросселирующего отверстия;
применение разработанных теоретических методов расчета ЕДС ГШДр к расчету и проектированию конкретных пневмо-гидро дросселей систем управления ЛА;
Основные задачи, решаемые в работе:
определение предельно допустимых уровней напряжений в областях концентрации напряжений, обеспечивающих заданную надёжность и долговечность дросселя при заданных условиях эксплуатации;
расчет предельно допустимых эксплуатационных нагрузок для проектируемых конструкций ГПнДр СУ ЛА;
экспериментальное исследование НДС корпуса пневматического дросселя;
исследование влияния различных конструктивных параметров корпуса дросселя пневмоэлемента на уровне механических напряжений в корпусе и на коэффициент концентрации напряжений в области дросселирующего отверстия;
рациональное проектирование дросселирующих отверстий заданной площади проходного сечения, обеспечивающих минимальные коэффициенты концентрации напряжений в области дросселирующего отверстия;
создание программно-методического комплекса расчета ВДС корпусов гидро-пневмоэлементов для персональной ЭВМ, позволяющего инженеру-конструктору, не имеющему специальной подготовки
в области расчетов на прочность, исследовать НДС в проектируемых корпусах гидоо-пневмоэлементов.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе разработанных теоретических методов расчета БДС корпусов ГШДр СУ М, основанных на методе граничных элементов, впервые проведено теоретическое исследование и установлены основные коли-^чественные и качественные закономерности влияния конструктивных параметров корпусов ГПнДр и дросселирующих каналов на уровни механических напряжений в корпусах ГПнДр и на коэффициенты концентрации напряжений в области дросселирующего канала.
Разработанный программно-методический комплекс (ШК) позволяет проектировать ГШДр с минимальными уровнями механических напряжений при заданных ограничениях на конструктивные параметры, то есть создавать конструкции, обладающие наибольшей надежностью и ресурсом, определять допустимые рабочие нагрузки для имеющихся ГШДр исходя из заданного запаса по несущей способности и долговечности.
Теоретически установленные зависимости подтверждены экспериментально.
Основные научные результаты работы состоят в том, что в ней впервые:.
установлены закономерности влияния конструктивных параметров корпуса ГШДр и дросселирующего канала на уровни механических напряжений и коэффициент концентрации напряжений в области дросселирующего канала;
определена оптимальная форма поперечного сечения дросселирующего канала, при которой коэффициент концентрации напряжений вблизи дросселирующего канала наименьший;
получены оценки точности теоретического расчета коэффициента концентрации напряжений вблизи дросселирующего канала;
выявлены конструктивные параметры корпуса ГШДр, обеепечи-ваащие минимальные габаритные размеры и массу ГШДр при условии равнопрочности всех частей корпуса;
определены предельно допустимые величины рабочих нагрузок для конкретных ГПнДр, при которых обеспечивается заданный запас по несущей способности и долговечности конструкции.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Ка основе проведенных теоретических исследований и полученных экспериментальных результатов разработан ШК, позволяющий проектировать корпуса ГПнДр с минимальными уровнями механических напряжений при минимальном весе и габаритных размерах корпуса и определять предельно допустимые величины рабочих нагрузок, при которых обеспечивается заданный запас по несущей способности ГПнДр.
Указанный ПМН позволяет проектировать высококачественные с точки зрения прочности конструкции корпуса ГПнДр для различных условий эксплуатации в системах управления ЛА.
Проведенные исследования ориентированы на непосредственное использование полученных результатов в практике проектирования корпусов ГПнДр инженерами-конструкторани, не имеющими специальной подготовки в области расчетов на прочность.
Реализованное на базе ПЭВМ IBM-PC/AT программное обеспечение имеет развитый интерфейс (постпроцессор), позволяющий проектировщику непосредственно (визуально) осуществлять контроль вводимой информации и представлякндий результаты расчета в удобной для анализа графической форме'. Разработанные методики и программно-алгоритмическое обеспечение для ЭВМ используются в опытно-конструкторских и плановых разработках предприятий ряда отраслей народного хозяйства, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Экономический эффект от внедрения результатов настояний работы связан с повышением эффективности и надежности работы систем гидро- и пневмоавтоматики управления ЛА, а также с сокращением сроков и стоимости ЕЖЖР указанных систем.
Результаты работы включены в научно-технический отчет о SIP "Исследование напряженного состояния корпуса, нагруженного внутренним давлением" от 29 мая 1991 года, созданное программно-алгоритмическое обеспечение используется з учебном процессе кафедры " Динамика и прочность машин" МГТУ им. Н. 3. Баумана
Изложенные в диссертации методы, вычислительные алгоритмы и программы для ЗШ могут быть использованы для расчетов и проектирования широкого класса корпусных конструкций с концентраторами напряжений.
Апробация работы. Содержание основных разделов диссертации докладывалось на научных семинарах кафедры "динамика и прочность машин" ЫГТУ им. Н. 3. Баумана в 1891 к 1993 г., на научно-технической совещании ШЗ "Родина" в 1992 г., на научном семинаре НПО "РОТОР' в 1992 г., на научном семинаре в Институте машиноведения РАН в 1993 г.
Публикации. Бо теме диссертации опубликовано 5 работ.
Структура работы, диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложения, включающих 117 страниц машинописного текста, 36 иллюстрации, 3 таблиц и списка литературы из 85 наименований. Общий объем работы 156 страниц.
