Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Расчет и проектирование крыла и элементов планера самолета из композиционных материалов Дудченко, Александр Александрович

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Дудченко, Александр Александрович. Расчет и проектирование крыла и элементов планера самолета из композиционных материалов : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.07.03.- Москва, 1995.- 32 с.: ил.

Введение к работе

Актуальность проблемы. За последние 30 лет интенсивное развитие получили направления исследований по изучению свойств и использованию в силовых конструкциях композиционных материалов. По мере изучения свойств композиты все шире находят применение в различных областях машиностроения. В настоящее время накопленный опыт использования слоистых материалов позволил приступить к следующему этапу их применения в таких силовых высоконагруженных и ответственных агрегатах планера самолета, как кессоны крыла. Используя возможность широкого варьирования свойств материала за счет изменения расположения армирующих элементов, можно добиться удовлетворения условий по прочности, жесткости и устойчивости композиционных конструкций при существенном снижении их массы по сравнению с традиционными металлическими конструкциями. Композиционные материалы на основе углеродных, борных, стеклянных, арамидных и других современных типов армирующих волокон являются важным, не использованным пока полностью резервом снижения массы, повышения летно-тактического совершенства и эффективности летательных аппаратов.

Успешное использование волокнистых многослойных материалов требует уточнения традиционных методов расчета и проектирования, а также создания новых, учитывающих особенности свойств композитов.

В настоящее время использование композиционных материалов происходит главным образом в несиловых и невысоконагруженних элементах конструкции (элероны, щитки, закрылки, люки, створки). В этих элементах выигрыш массы при замене металла на композит будет небольшим, так как количество композиционного материала в них чаще всего определяется потребной жесткостью, а не прочностью, или ке конструктивно-технологическими ограничениями.

Для высоконагруженных несущих элементов самолета (кессоны крыла, стабилизаторы, киль, панели, отсеки фюзеляжа и другие элементы планера), как показывает практика, с помощью многослойного . волокнистого материала можно одновременно удовлетворить прочность, а также различную необходимую жесткость в конструкции. На современном этапе использование композитов в конструкциях летательных аппаратов обеспечивает снижение массы в среднем на 15-25 только за счет более высоких, чем у металла, удельных механических характеристик в случае простой замены металла на пластик.

При более высоком уровне проектирования конструкции, то есть использования интегральных конструктивных схем и соответствующей технологии изготовления, связанной с учетом особенностей свойств и работоспособности материала, снижение массы может достигать 30-40%, а в некоторых случаях до 60 от массы аналогичной металлической конструкции самолета.

Необходимо отметить, что при создании изделий из композитов одновременно создается и материал этой конструкции, который обеспечивает изделию требуемые свойства.

Эти обстоятельства определяют актуальность проблемы, связанной с разработкой силовых авиационных конструкций, и одновременно с ними - структуры материала, а также методов их расчета и проектирования с учетом конструктивно-технологических ограничений и технологии изготовления. При этом должно обеспечиваться рациональное распределение материала и максимально снижаться масса конструкции планера самолета.

Цель работы - обеспечение заданных физико-технических характеристик конструкций летательных аппаратов путем расчета и проектирования структуры композиционного материала, применяемого для их изготовления.

Для обеспечения этой цели необходимо провести следующие работы:

  1. Изучение особенностей поведения композиционного материала при нагрузке и создания расчетных моделей для конструкции крыла и элементов планера.

  2. Разработка прикладных методов расчета и проектирования крыльев, панелей, пластин, стержней с учетом особенностей технологии изготовления.

3. Проектирование и разработка элементов конструкций
самолета, масса которых существенно ниже металлических аналогов,
при условии сохранения или улучшения характеристик изделий и
повышения эксплуатационных свойств и надежности.

4. Разработка методики и технологии проведения лабораторных и
промышленных испытаний разработанных конструкций.

5. Обоснование эффективности работы конструкций из композита.
Научная новизна работы определяется следующим.
Разработаны методы расчета и проектирования, приемы

конструирования и экспериментальных исследований на элементах и агрегатах планера самолета из композиционных материалов. С единых позиций вариационного подхода построены методы расчета и 4

проектирования конструкций крыла и силовых элементов планера самолета из композиционного материала с учетом технологии изготовления и конструктивно-технологических требований. Получен метод расчета в напряжениях многозамкнутых цилиндрических и слабоконических оболочек на основе модифицированной полубезмоментной теории, построенной на предположении об отсутствии продольного моментного состояния. Разработанный прикладной метод расчета является более общим по сравнению с другими известными методами за счет отсутствия гоомотричоских гипотез и эффективно используется в ограничениях по прочности в задаче оптимального проектирования.

Проведено уточнение расчетно-прооктировочшх методов для композитных стержней, подкрепленных панелей, панелей с вырезами. С их помощью существенно уточняются крутильная жесткость стержней разного типа сечений, напряженно-деформированное состояние подкрепленных панелей с учетом реальных статических и геометрических граничных условий на поперечных краях.

Построены аналитические методы расчета местной и общей потери устойчивости подкрепленных плоских элементов каркаса крыла и фюзеляжа типа панелей, лонжеронов, нервюр, которые позволяют учесть вид нагружения, совместную работу обшивки и стрингеров, реальные граничные условия.

Решена задача усиления традиционных металлических элементов жгутами из высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов. Разработаны принципы конструирования и на их основе конструкции крыльев и элементов планера.

Проведены лабораторные испытания на моделях силовых элементов самолета в виде крыльев и стабилизаторов сборных и интегральных схем изготовления, подкрепленных панелей и панелей с вырезами из композиционных материалов. Испытаны соединения элементов, а также металлические конструкции, усиленные жгутами из волокон бора и углерода. Во многих случаях эти работы были проведены впервые в России и СНГ.

Эффективность новых технических решений подтверждена авторскими свидетельствами: для подкрепленных панелей (авторское свидетельство Л IIII393, 1984 г.), для способа изготовления армированных конструкционных материалов (авторское свидетельство 730044, 1979 г.), способы соединения элементов конструкций (авторские свидетельства J6 485240, 1975 г., 545785, 1976 г.)

Практическая значимость. Разработаны прикладные аналитические

методы расчета и проектирования крыла и силовых элементов планера самолота из композиционного материала, которыо позволили повысить достоверность значений искомых параметров и надежность силовых конструкций. Использование этих методов сокращает время расчетно-проектировочных работ, приводит к снижению массы конструкций, позволяет учитывать особенности технологии изготовления и конструктивно-технологические ограничения. Разработаны сборные варианты конструкций крыла, которые легче на 22-25. интегральные варианты конструкции с существенным уменьшением стыковых узлов и соединений, которые легче на 36-40%, подкрепленные панели, которые легче на 50 соответствующих металлических аналогов.\

Методы расчета и проектирования, практические рекомендации, разработанные силовые конструкции используются в промышленности и внедрены на предприятиях АООТ "КБ Сухого", АО НПО "Молния", ЭМЗ им. В.М.Мясищева, а также в учебных пособиях и курсах для специальности "Конструирование и производство изделий из композиционных материалов".

Достоверность научных положений и выводов обоснована и подтверждена сопоставлением теоретических решений автора с известными выводами других авторов, а также с результатами экспериментальных исследований, проведенных автором работы. :., - Внедрение результатов работы на предприятиях подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты доложены на І, Ш, IY, Y, YI Всесоюзных симпозиумах по механике конструкций из композиционных материалов (Канев, 1977 г.; Ленинакан, 1979 г.; Новосибирск, 1982 г.; Миасс, . Ї986 г. 1989 г.); П Межотраслевой конференции по механике конструкций из композиционных материалов (Миасс, 1978 г.); Всесоюзной конференции по использованию композиционных материалов (Москва, 1978 г.); 4-ой научно-технической конференции по статической прочности летательных аппаратов (ЦАГИ, 1980 г.); І, Ш, IY межотраслевых школах по проблемам проектирования конструкций (Харьков, 1980 г.; Ростов-на-Дону, 1982 г., Красноярск, 1985 г.); XII Всесоюзной конференции по теории оболочек и пластин (Ереван, 1980 г.) I, II, IY Всесоюзных конференциях "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" (Москва, 1983 г., Куйбышев, I98G г., Рыбачье, Крым, 1991 г.); YI, YII, YIII Международных конференциях по механике композитных материалов 6

(Рига, 1986 г., 1990 г., 1993 г.); I Всесоюзном научно-техническом семинаре "Применение полимерных композиционных материалов в машиностроении" (Ворошиловград, 1987 г.); Всесоюзной конференции "Проблемы прочности и технологии изготовления конструкций из композитных материалов (Севастополь, 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Обобщение опыта и разработка перспектив применения полимерных материалов в конструкциях судостроительного назначения и смежных отраслей" (Феодосия, 1990 г.); Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Якутск, 1990 г.); I Всесоюзной научно-технической конференции "Полимерные материалы и технологические процессы изготовления изделий из них" (Москва, 1991 г.); Всесоюзном семинаре "Механика и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций" (Вологда, 1992 г.); научно-технической конференции "Механика и технология композитов" (Севастополь, 1992 г.); Российских научно-технических конференциях: "Полимерные материалы в народном хозяйстве" (Сергиев Посад, 1993 г.); "Новые материалы и технологии машиностроения" (Москва, 1993 г.); "Прочность и живучесть конструкции" (Вологда, 1993 г.); "Композиционные материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергии" (Москва, 1995 г.); Белорусском конгрессе по теоретической и прикладной механике, "Механика-95" (Минск, 1995г.).

Работа выполнена в соответствии с координационными планами АН СССР. В I97G-I980 гг. по разделу I.I0.2 - Механика деформированного твердого тела,в I98I-I985 гг. - I.10.2.12 - Механика композиционных материалов и полимеров, в 1986-1990 гг. - I.10.2.12 - Термоупругость, механика композиционных материалов, а также по техническим заданиям предприятий АООТ. "КБ Сухого", ЦАГИ, АО НПО "Молния", ЭМЗ им. В.М.Мясищева.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 28 научных статьях, 4 авторских свидетельствах, 4 учебных пособиях.

Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов. Список литературы включает .165 наименований. Общий объем работы- 408 стр., в том числе 245 стр.' текста, 129 рисунков и 14 таблиц.