Разработка и аппроксимация нового подхода к расчету комбинированных изделий

Язык труда и переводы:
УДК:
629.735.3
Дата публикации:
22 января 2022, 14:56
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Юденков Вениамин Эдуардович
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Лебитков Владимир Константинович
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Балакшина Дарья Вячеславовна
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Аннотация:
Рассмотрен вопрос о применимости оригинальной методики инженерного прочностного анализа консоли крыла беспилотного летательного аппарата, выполненной из экструзионного пенополистирола с оболочкой из композиционного материала. Определены эффективные характеристики используемых материалов, проведен прочностной анализ по двум методикам. На основе полученных результатов, сделан вывод о возможности применения предлагаемой методики при разработке беспилотных летательных аппаратов на стадии эскизного проектирования.
Ключевые слова:
беспилотный летательный аппарат, расчет на прочность, экструзионный пенополистирол, композитный материал
Основной текст труда

При проектировании беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) существует проблема, связанная с малым количеством достоверной информации о прочностных характеристиках конструкций, изготовленных по различным технологиям, а именно: классическим методом, где набор продольных и поперечных силовых элементов покрывается упругой оболочкой (например, лавсановой пленкой), и более современным методом, в котором посредством механической обработки из вспененных пластмасс изготавливается заготовка, которая затем покрывается композитной оболочкой.

Оба метода изготовления являются достаточно распространенными, однако последний является более технологичным и позволяет в большей степени автоматизировать процесс изготовления и улучшить повторяемость изделий при массовом производстве. Однако, достоверную информацию о прочностных характеристиках материалов [1] и изделий зачастую достаточно сложно получить, из чего следует необходимость разработки оригинальной методики прочностного анализа изделий, которую можно было бы использовать при разработке БПЛА [2].

Так как встроенные в современных CAD-системах инструменты построения [3] не в достаточной мере позволяют отразить во всей полноте геометрические особенности БПЛА, выполненного из экструзионного пенополистирола (ЭППС) [4] покрытого тонкой композитной оболочкой, было предложено выполнить его в виде цельного тела из условного материала со следующими эффективными характеристиками:

  • модуль упругости 3000 МПа;
  • коэффициент Пуассона 0,29;
  • модуль сдвига 300 МПа;
  • массовая плотность 160 кг/м3;
  • предел текучести 20 МПа.

Их выбор обоснован требованиями к материалу, а именно: низкая плотность, прочность, жесткость, упругость.

Использование такого допущения требует достаточного обоснования его применимости, соответственно, на примере детали с наиболее простой геометрией, а именно — консоли крыла, был произведен её прочностной анализ в двух исполнениях: в виде цельной детали и в виде тела из ЭППС с оболочкой из углепластика.

В связи с особенностями прочностного анализа ортотропных материалов, к которым относятся рассматриваемые композиты, был произведен анализ имеющихся данных об их прочностных характеристиках и выбран усредненный вариант свойств материала.

Характеристики рассматриваемого композита:

  • модуль упругости 1,4·105 МПа;
  • коэффициент Пуассона 0,35;
  • модуль сдвига 8000 МПа;
  • массовая плотность 1500 кг/м3;
  • предел текучести 1700 МПа.

Характеристики рассматриваемого ЭППС:

  • модуль упругости 2000 МПа;
  • коэффициент Пуассона 0,3;
  • модуль сдвига 10,2 МПа;
  • массовая плотность 42 кг/м3;
  • предел текучести 19,9 МПа.

Была произведена серия расчетов консоли крыла в обоих исполнениях на различных режимах полета БПЛА, при этом среднее отклонение результатов составило менее 5 %, что позволяет считать полученные данные коррелирующимися между собой.

По результатам проведенной работы можно сделать вывод, что предложенная методика прочностного анализа изделий, выполненных из нескольких материалов со свойствами, дополняющими друг друга, применима для дальнейшего использования при проектировании разрабатываемого БПЛА.

Литература
  1. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 592 с.
  2. Юденков В.Э., Лебитков В.К., Балакшина Д.В. Разработка измерительного комплекса основных параметров беспилотного летательного аппарата // Аэрокосмическая декада 2021: сб. тр. XIV Всерос. науч.-техн. студ. школы-семинара. Алушта, 26 сентября — 2 апреля 2021 г. Симферополь: ООО «Издательство "Типография «Ариал»"», 2021. С. 201–204.
  3. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. СПб.: БХВ-Петербург, 2012. 448 с.
  4. Романенков И.Г., Панферов К.В., Артюшина А.А. и др. Пособие по физико-механическим характеристикам строительных пенопластов и сотопластов. М.: Стройиздат, 1977. 79 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.