Методика проектирования композитного силового набора хвостовой части фюзеляжа

Язык труда и переводы:
УДК:
629.7.024
Дата публикации:
24 января 2022, 23:27
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Тун Лин Хтет
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Просунцов Павел Викторович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрена разработанная методика проектирования силового набора хвостовой части самолета DA-62, которая включает в себя этапы выбора расположения, формы и структуры силовых элементов из композиционных материалов. Отличительной особенностью методики является комплексное использование методов параметрической и топологической оптимизации при построении конструкции. Для определения физико-механических характеристик многослойных композитных пакетов использован расчетно-теоретический подход, результаты которого подтверждаются экспериментальными результатами. Для повышения весовой эффективности конструкции решаться задача оптимизации схемы укладки слоев полимерного композиционного материала.
Ключевые слова:
фюзеляж, силовые шпангоуты, параметрическая оптимизация, топология, укладка, снижение массы, углепластик, конструктивно-силовая схема
Основной текст труда

Наиболее сложным агрегатом легких самолетов является хвостовая часть фюзеляжа, в которой размещаются агрегаты оперения и силовой установки. Конструкция хвостовой части фюзеляжа легкого самолета интегральной компоновки ввиду своей формы больше приближена к конструкции крыла, и состоит из продольных и поперечных силовых элементов. Поперечными силовыми элементами в фюзеляже являются силовые шпангоуты, сложные по своей конструкции и форме [1]. Проектирование фюзеляжа интегральной компоновки во многом связано с выбором конструктивной схемы силового набора, и повышение его весовой эффективности является сложной и актуальной проблемой. При проектировании эффективным инструментом снижения массы конструкций летательных аппаратов является использование композиционных материалов, обладающих высокими удельными прочностными и жесткостными характеристиками. Применение композитов должно основываться не просто на механической замена традиционных металлических материалов на композиционные, а учитывать их особенности — в первую очередь анизотропию характеристик. Создание композитных конструкций должно опираться на широкое применение современных методов численного моделирования и оптимизации [2].

Целью работы является снижение массы и повышение несущей способности композитного силового набора хвостовой части фюзеляжа легкого самолета за счет использования современных методов параметрической и топологической оптимизации композитных конструкци.

В качестве объекта исследования в данной работе выбрана хвостовая часть самолета DA-62, который изготовлен из углепластика на основе эпоксидного связующего и углеродной ткани, что позволило обеспечить одновременно высокую прочность и малый вес конструкции. Фюзеляж представляет собой конструкцию типа полумонокок, состоящий из обшивки, и кольцевых шпангоутов, являющихся основными силовыми элементами элементов жесткости. Шпангоуты скреплены с внутренним слоем обшивки фюзеляжа и нижней обшивкой центроплана клеевым соединением [3].

Методика проектирования силового набора включает в себя шесть крупных этапов.

На первом этапе (I) проводится анализ нагрузок, действующих на конструкцию самолета. При этом рассматривается совместное воздействие аэродинамических и массово-инерционных сил при различных расчетных случаях его маневров в вертикальной и горизонтальной плоскостях [4]. Расчет нагрузок, возникающих в полете, проводится с использованием программного комплекса ANSYS Fluent с учетом параметров полета аппарата (скорость и высота полета, углы атаки, скольжения и крена) и атмосферы [5].

В рамках второго этапа методики (II) решается задача выбора рациональных параметров размещения силовых шпангоутов, таких как их количество, координаты размещения и ширина, с использованием методов параметрической оптимизации. Варьируемыми проектными параметрами на втором этапе методики выступают геометрические размеры шпангоутов. Такой подход позволяет существенно сократить размер области проектирования для последующего применения на третьем этапе (III) метода топологической оптимизации.

Следующим этапом (III) методики является выбор оптимальной формы силовых шпангоутов, что позволяет снизить вес силового набора. На данном этапе используется метод топологической оптимизации (программный комплекс ANSYS Topology), причем в качестве начального приближения используются результаты параметрической оптимизации. Данный этап заключается в нахождении оптимального распределения материала в силовых элементах конструкции. Для этого решалась задача минимизации массы конструкции при ограничении на максимальные напряжения в силовых шпангоутах.

Необходимым этапом (IV) методики является определение физико-механических характеристик композиционных материалов силового набора фюзеляжа. Упор сделан на методы их расчетно-теоретического определения с использованием программных комплексов MSC Digimat и Ansys Material Designer. В рамках данного расчета создаются модели представительных элементов объемов (ПЭО) многослойного углепластика. Далее к этим ПЭО прикладываются нагрузки и проводится моделирование напряженно-деформированного состояния ПЭО, а затем расчетным путем определяются искомые физико-механические характеристики композита. Для подтверждения полученных характеристик материалов проводится ограниченный объем испытаний образцов материалов, которые предполагается применять в конструкции силового набора.

При разработке конструкции из композитов важным вопросом является выбор схем укладки, от которых существенно зависит прочность и масса создаваемой конструкции. Поэтому пятый этап (V) методики посвящен выбору оптимальной схемы укладки многослойных силовых элементов на основе методов параметрической оптимизации. Для оптимизации схемы армирования используется программный комплекс ANSYS optiSLang. На этом этапе проводится моделирование напряженно-деформированного состояния многослойных композитных шпангоутов силового набора и выполняется анализ напряжений, возникающих в отдельных слоях конструкции. В качестве целевой функции в этом случае выступает масса конструкции, а в качестве ограничений – уровни напряжений в отдельных слоях материалов шпангоутов.

На заключительном (VI) этапе методики проводится поверочный расчет разработанной композитной конструкции силового набора. Для повышения достоверности моделирования на данном этапе используются уточненные геометрические и конечно-элементные модели конструкции.

Если при решении задачи для какого-либо этапа не удается достичь его цели, то происходит возврат на предыдущий этап с коррекцией накладываемых ограничений.

Таким образом, новая методика за счет комбинации методов параметрической и топологической оптимизации позволяет снизить массу и повысить несущую способность силового набора. В результате использования методики была предложена конструктивно-силовая схема хвостовой части фюзеляжа легкого самолета, отвечающая условиям прочности и обладающая лучшими весовыми характеристиками, по сравнению с используемым в настоящее время вариантом.

Литература
  1. Ю Сун Чул. Проектирование и исследование конструкции горизонтального оперения гражданского транспортного самолета: автореф. дисc. … канд. тех. наук. М.: МАИ, 2005. 24 с.
  2. Агеева Т.Г., Дудар Э.Н., Резник С.В. Комплексная методика проектирования конструкции крыла многоразового космического аппарата // Технология машиностроения. 2021. № 3. С. 34–36.
  3. Самолет DA-62. Diamond Aircraft. URL: https://www.diamondaircraft.com/en/privatepilots/aircraft/da62/overview/ (дата обращения 15.11.2021).
  4. Нормы летной годности гражданских легких самолетов. М.: Межгосударственный Авиационный Комитет ОАО, 2014. 206 с.
  5. Tun Lin Htet, Prosuntsov P.V. Parametric and topology optimization of polymer composite load bearing elements of rear part of aircraft fuselage structure // AIP Conf. Proc. 2021. Vol. 2318, no. 1. Art. 020008. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0035742
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.