Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Использование композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов постепенно расширяется с 1970-х годов [1]. Природа самих композиционных материалов и производственных процессов, используемых для их изготовления, способствует комплексному, междисциплинарному подходу к разработке конструкций. На сегодняшний день основными преимуществами композиционных материалов по сравнению с металлами являются относительно низкая плотность, высокая устойчивость к коррозии и высокие удельные характеристики прочности и жесткости.
В связи с тем, что композиционные материалы обладают высокой и при этом регулируемой анизотропией своих характеристик, то существующие методы [2] проектирования, традиционно используемые при создании конструкций из металлических материалов, могут быть использованы не в полной мере. Поэтому в настоящее время разрабатываются новые методики проектирования летательных аппаратов, которые учитывают все особенности композиционных материалов.
В настоящей работе в качестве объекта исследования рассматриваются силовые шпангоуты хвостовой части фюзеляжа легкого самолета DA-62, который представляет собой двухдвигательный моноплан с низкорасположенным свободнонесущим крылом и T-образным хвостовым оперением. Фюзеляж самолета DA-62 представляет собой монокок и состоит из обшивки и четырех кольцевых шпангоутов, выполненных из углепластика [3].
Процесс проектирования конструкций из композиционных материалов является итеративным, и в этом процессе на каждом этапе выбирается наилучший вариант на основе результатов, полученных на предыдущих этапах. Конечной целью проектирования является выбор используемых композиционных материалов, технологии изготовления, схемы укладки и ориентации слоев, а также геометрических параметров конструкции. В данной работе предложена междисциплинарная методика выбора рациональных параметров композитных силовых элементов фюзеляжа, которая включает в себя пять этапов.
Первый этап методики заключается в моделировании конструкции силового набора хвостовой части фюзеляжа и определении нагрузок, действующих на силовой набор при маневрировании самолета в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Второй этап методики включает в себя определение расположения и формы шпангоутов с применением комбинации методов параметрической и топологической оптимизации. Такой подход позволяет получить точное и достаточное решение за существенно меньше времени без рационального затрата решительных ресурсов. В связи с тем, что для композиционных материалов отсутствуют справочные данные об их характеристиках при различных схемах армирования [4], то для проведения напряженно-деформированного состояния силовых элементов фюзеляжа на третьем этапе проводится расчетно-теоретическое и экспериментальное определение физико-механических характеристик используемых материалов. Выбор оптимальных схем укладки слоев многослойных силовых шпангоутов осуществляется на основе параметрической оптимизации на четвертом этапе [5].
Заключительным этапом методики, которому и посвящена данная работа, является разработка конструктивной схемы оптимизированного варианта силового набора и проведение поверочного расчета полученной конструкции.
В результате использования первых четырех этапов методики выбрана оптимальная конструктивная силовая схема шпангоутов, при которой все шпангоуты кроме первого, состоят из двух частей: круговой и вертикальной. При этом после оптимизации схемы укладки слоев композиционных материалов круговая и вертикальная части этих трех шпангоутов имеют разные схемы армирования. Следовательно, необходимо разработать схему крепления вертикальной и круговой частей, которая обеспечивает допустимый уровень напряжения в слоях композиционных материалов обоих элементов, обладает минимальным весом и гарантирует надежность.
Чаще всего для соединения композитных частей конструкции используется либо клеевое, либо болтовое соединения. Болтовые соединения имеют как ряд преимуществ, так и ряд недостатков по сравнению с клеевыми соединениями, такими как: при соединении составных деталей требуется сверление отверстий в композитных элементах, что приводит к концентрации напряжений и в итоге повышает вероятность разрушения, тогда как клеевое соединения делают не требуют сверления отверстий, они позволяют распределить нагрузку на большую площадь, чем болтовые соединения [2]. Также при использовании болтовых соединений требуется применение металлических закладных элементов, что также увеличивает вес конструкции. Однако болтовые соединения менее чувствительны к воздействию окружающей среды, а также накоплен большой опыт их использования.
Разработана конструктивная схема сборных силовых шпангоутов силового набора фюзеляжа, основанная на использовании болтового соединения с закладными элементами. Было проведено параметрическое исследование влияния диаметра и количества крепежных элементов на прочность и вес конструкции силовых элементов.
В данной работе проведено сравнение напряженно-деформированного состояния силовых элементов фюзеляжа при использовании болтового и клеевого соединения. В результате была выбрана оптимальная конструктивная схема силовых шпангоутов с точки зрения веса и уровня напряжения в слоях композиционных материалов.
