Разработка расчетного метода выбора рациональных проектных параметров упругого торсиона из композиционных материалов втулки несущего винта вертолета с учетом эксплуатационных расчетных случаев тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.03, кандидат технических наук Башаров, Евгений Анатольевич

• Башаров, Евгений Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Башаров, Евгений Анатольевич

Введение.

ГЛАВА 1. Постановка задачи оптимального проектирования упругого слоистого торсиона из композиционных материалов.

1.1 Постановка задачи исследования в физическом виде.

1.1.1 Схема нагружения упругого слоистого торсиона.

1.1.2 Описание конструкции торсиона в составе втулки несущего винта и выбор прототипа.

1.1.3 Обоснование критериев, параметров и ограничений.

1.2 Постановка задачи исследования в математическом виде.

1.2.1 Обзор существующих методик оптимального проектирования и кинематических моделей деформирования изделий из КМ.

1.2.2 Математическая модель оптимизационной задачи проектирования упругого торсиона из композиционных материалов.

1.2.3 Упрощения и их обоснование.

1.3 Выбор материала для упругого торсиона.

ГЛАВА 2. Расчетные методики исследования торсиона при статическом нагружении с учетом эксплуатационных расчетных случаев.

2.1 Статический расчет слоистого торсиона прямоугольного сечения на основе кинематической модели прямой линии.

2.2 Статический расчет слоистого торсиона прямоугольного сечения на основе кинематической модели ломаной линии.

2.3 Сравнительный анализ результатов расчетов, полученных различными методиками.

2.4 Учет стеснения депланации сечения при закручивании упругого торсиона из композиционных материалов.

2.5 Особенности статического расчета слоистого торсиона различного поперечного сечения рабочей части.

2.5.1 Особенности расчета торсиона круглого сечения.

2.5.2 Особенности расчета торсиона эллиптического сечения.

2.5.3 Особенности расчета торсиона многоконтурного сечения.

2.5.4 Особенности расчета торсиона крестообразного сечения.

2.6 Сравнительный анализ жесткостных и прочностных характеристик упругого торсиона различного поперечного сечения с результатами расчета в среде МЗС.КаБ^ап, используя метод конечных элементов.

2.6.1 Сравнительный анализ изгибной и крутильной жесткости торсиона различного поперечного сечения.

2.6.2 Сравнительный анализ изгибной и крутильной жесткости торсиона различного поперечного сечения.

2.6.3 Сравнительный анализ напряженного состояния при нагружении торсиона различного поперечного сечения.

ГЛАВА 3. Расчетно-экспериментальные исследования поведения упругой линии при нагружении балки с существенно различающейся слоевой жесткостью.

3.1 Особенности исследования и расчетного метода.

3.2 Описание поставленного эксперимента и опытной установки.

3.3 Сравнительный анализ полученных расчетных и опытных результатов исследования и выводы.

ГЛАВА 4. Исследования динамических характеристик упругого слоистого торсиона различного поперечного сечения из композиционных материалов и запаса адгезионной прочности слоев.

4.1 Расчет собственных частот колебаний упругого торсиона различного поперечного сечения.

4.2 Исследование демпфирующих характеристик упругого торсиона различного поперечного сечения.

4.3 Сравнительный анализ динамических характеристик упругого слоистого торсиона различного поперечного сечения.

4.4 Расчет теплообразования в слоях резины торсиона при циклическом нагружении.

4.5 Расчет адгезионной прочности слоев композита и резины на границе раздела слоев упругого слоистого торсиона.

4.6 Оценка запаса адгезионной прочности слоев и долговечности упругого слоистого торсиона различного поперечного сечения.

Глава 5. Алгоритм проектирования упругого торсиона и выработка проектных рекомендаций и предложений по выбору рациональных параметров торсиона на этапе первоначального проектирования.

5.1 Выбор целевой функции и построение оптимизационной задачи.

5.2 Алгоритм проектирования торсиона,на примере определения оптимальных геометрических параметров торсиона прямоугольного сечения.

5.3 Особенности оптимального проектирования слоистого торсиона различного поперечного сечения.

5.4 Рекомендации по выбору вида композиционного материала и резины.

5.3.1 Рекомендации по выбору композиционного материала.

5.3.2 Рекомендации по выбору резины.

5.4 Рекомендации по конструктивным методам улучшения статической и усталостной прочности упругого торсиона.

5.5 Рекомендации по технологическим методам улучшения прочностных характеристик упругого торсиона.

5.6 Рекомендации по отводу теплообразования в резиновых слоях торсиона и методах увеличения адгезионной прочности слоев при циклическом нагружении.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка расчетного метода выбора рациональных проектных параметров упругого торсиона из композиционных материалов втулки несущего винта вертолета с учетом эксплуатационных расчетных случаев»

Актуальность темы исследования. Прогресс в материаловедении в конце 70-х годов позволил отказаться от подшипников качения, всегда ограничивающих долговечность такого нагруженного и ответственного агрегата, каким является втулка несущего винта вертолета. В последнее время общим направлением при создании новых бесшарнирных втулок несущих винтов (НВ) современных легких и средних вертолетов стала тенденция к полной или частичной замене традиционных металлических шарниров теми или иными упругими элементами, обеспечивающими необходимые перемещения лопастей за счет собственной податливости. К таким упругим элементам относятся упругие торсионы из композиционных материалов (КМ), воспринимающие центробежную силу и заменяющие шарниры. Торсион, являясь главным силовым элементом втулки НВ, представляет собой силовую многослойную балку, которая воспринимает растягивающую нагрузку от центробежной силы, перерезывающие силы и изгибающие моменты в разных плоскостях и обладающая малой крутильной жесткостью. В конструкции упругих торсионов большинства бесшарнирных втулок НВ современных вертолетов используются полимерные композиционные материалы (ПКМ), армированные непрерывными волокнами. Важнейшее преимущество композитов - возможность создания из них элементов конструкции с заранее заданными свойствами, наиболее полно соответствующими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитных конструкций, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и других свойств путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита. Проблема проектирования широкого класса легких надежных бесшарнирных втулок НВ вертолетов из композиционных материалов с практически неограниченным ресурсом и минимальным обслуживанием в эксплуатации является актуальной темой исследования в современном вертолетостроении. Широкое внедрение новых классов КМ и стремление к расширению их применения в силовых конструкциях вертолета требует дополнительных исследований поведения торсиона при нагружении и разработки новых универсальных методов расчета оптимального проектирования и методики выбора рациональных конструктивных параметров. Тем самым исключаются ошибки при проектировании и улучшается качество проектирования. Все это позволит существенно поднять культуру проектирования изделий из КМ, а значит и ресурс.

Степень изученности проблемы. Исследований, посвященных проблеме проектирования силовых конструкций типа торсион из КМ, сравнительно мало. В работе Е.И. Ружицкого [71] в историческом аспекте проведен краткий обзор конструкций втулок бесшарнирных HB вертолетов и слоистых торсионов из КМ в их составе. Указаны достоинства и недостатки различных схем, применяемых материалов и приводятся перспективы применения1 ПКМ в структуре слоистых торсионов для бесшарнирного упругого крепления лопастей. В работе A.B. Некрасова [63] ОКБ МВЗ им. M.JI. Миля рассмотрены основные особенности динамики и прочности «жесткого» HB и решена задача подбора сечений комлевого участка лопасти при жестком её креплении к втулке HB. В работе А.И. Туркиной [80] рассмотрены некоторые вопросы прочности упругих элементов HB вертолета (пластинчатых торсионов из высокопрочной стали). В работе Н.С. Павленко и А.Ю. Баринова [66] рассмотрена задача выбора оптимальных конструктивных параметров упругой пластины полужесткого HB легкого вертолета. Были получены распределения толщины и ширины пластины в зависимости от радиуса лопасти с приемлемым уровнем эквивалентных напряжений при нагружении. В работе Александрина Ю.С. и др. [1] рассмотрена конструкция и методика проектирования высокоресурсных пластинчатых торсионов из стали. Разработана вычислительная программа, позволяющая проводить проектировочный и поверочный расчет торсиона. В ОКБ Н.И. Камова впервые в стране были разработаны упругие торсионы из стеклопластика для втулки HB БПЛА Ка-137. Работы [54,72] посвящены расчету напряженно-деформированного состояния (НДС) торсиона HB вертолета, представляющего собой многослойную стержневую композитную конструкцию. В рамках сдвиговой модели С.П. Тимошенко выводится система нелинейных дифференциальных уравнений упругого деформирования торсиона и граничных условий. В предположении отсутствия распределенной нагрузки по длине получено аналитическое решение для отдельного стержня и определены границы этого решения. Отмечено, что касательные напряжения в модели типа С.П. Тимошенко в общем случае не удовлетворяют статическим граничным условиям на боковой поверхности стержня и, следовательно, требуются уточнения. В работе А.Ю. Лисса [49] уточнен подход, предложенный в работе [72] и разрабатывается теория и методика расчета торсиона балочного типа на изгиб в двух плоскостях и кручение. Показано, что растяжение торсиона существенно влияет на его деформации. Проведен расчет торсиона при совместном действии изгибающих моментов в двух плоскостях, показано, что сложный характер деформаций торсиона требует особого подхода при тензоизмерении в процессе испытаний вертолета. В работах [20, 21, 41, 42, 70, 86, 87] в рамках метода конечных элементов (МКЭ) рассматривается расчет НДС композитного торсиона бесшарнирного НВ вертолета «Ансат» при приложении эксплуатационных нагрузок. Приводится описание базового конечного элемента с биквадратной аппроксимацией по поверхностным координатам, линейной по толщине, в двух модификациях. Анализ особенностей геометрически нелинейной модели деформирования упругого слоистого торсиона из КМ бесшарнирного НВ проведен в работе С.А. Михайлова [44]. В статьях [11,43,69] рассмотрена оценка допустимой усталостной прочности и обоснование допустимых повреждений для элементов из КМ бесшарнирного НВ вертолетов.

Цель работы. Разработка расчетного аналитического метода выбора рациональных проектных параметров, упругого торсиона из КМ различного поперечного сечения втулки несущего винта вертолета на этапе первоначального проектирования с учетом эксплуатационных расчетных случаев.

Упругий торсион из КМ воспринимает центробежную силу и заменяет шарниры, тем самым обеспечивая необходимые перемещения лопастей за счет собственной податливости (рис. 1).

Рис. 1 Бесшарнирная втулка НВ вертолета:

1-втулка; 2- центрирующая сферическая опора; 3- поводок управления шагом лопасти; 4- кронштейны крепления; 5- кожух; 6 - упругий торсион

Ступица втулки, выполненная в виде фланца, соединяется с валом несущего винта. К ступице присоединены крестообразно два упругих торсиона из КМ, к каждому из которых на его концах прикрепляются лопасти. Сверху торсионы закрыты обтекаемыми кожухами с присоединенными к ним рычагами управления шагом лопастей.

Предмет исследования. В настоящее время существует несколько типов упругих элементов, применяемых в бесшарнирных втулках несущих винтов современных вертолетов [71]. Конструктивно все типы зависят от того, как разработчик справляется с решением всех функциональных задач такой втулки:

1) Разделение колебаний лопастей винта в плоскостях взмаха, вращения и при кручении и обеспечения их частотной отстройки;

2) Обеспечение потребного уровня деформирования лопастей в соответствующих плоскостях;

3) Обеспечение необходимого ресурса агрегата по условиям усталостной прочности.

В качестве предмета исследования был выбран упругий слоистый торсион из КМ балочного типа, выполненный с использованием многослойной тканевой композиции и низкомодульных вязкоупругих материалов в форме бруса постоянного сечения, входящий в состав конструкции бесшарнирной втулки НВ вертолета. Торсион (рис. 2) представляет собой силовую многослойную балку, которая воспринимает растягивающую нагрузку от центробежной силы, перерезывающие силы и изгибающие моменты в разных плоскостях и обладающая малой крутильной жесткостью. Комлевая и концевая части торсиона представляют собой зоны его крепления с валом и пером лопасти НВ и имеют объемную схему деформирования. Запас прочности этих зон зависит от правильно спроектированных узлов крепления. Методы расчета НДС узлов крепления конструкций из КМ типа торсион описаны в ряде публикаций [32,41,70]. Рабочая часть торсиона является наиболее деформируемой и к ней предъявляются наиболее высокие требования по обеспечению ресурса, особенно при циклическом нагружении. Поэтому главным акцентом диссертационной работы стало исследование рабочей части торсиона, разработка методик оптимального проектирования слоистых торсионов из КМ с рабочей частью различного поперечного сечения и изучение поведения при различных случаях нагружения. А А

А-А

Рис. 2 Конструктивные параметры торсиона: Ь-длина; Ь-высота; Ь-ширина; а-ширина прорезей; 8-толщина пакета КМ

Научная новизна. В работе впервые разработан расчетный аналитический метод оптимального проектирования и выбора рациональных проектных параметров упругого торсиона из КМ различного поперечного сечения и конструктивных схем. Впервые предложена методика расчета величин нагрева слоев резины, при различных колебаниях торсиона и анализа влияния теплообразования на усталостное расслоение. На примере проектирования торсионной втулки НВ вертолета была исследована и построена оптимизационная задача определения оптимальных геометрических, структурных и конструктивных параметров упругого торсиона при определенном его нагружении в полёте.

В диссертации на защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Сравнительный анализ НДС и запаса адгезионной прочности слоев при расчете торсионов из КМ различного поперечного сечения;

2. Расчетно-экспериментальное исследование применения уточненного расчета НДС слоистой балки типа торсион по сравнению с результатами расчета на основе кинематической модели прямой линии;

3. Экспериментальные исследования поведения упругой линии' при нагружении балки с существенно различающейся слоевой жесткостью;

4. Расчетное исследование влияния учета стеснения депланации сечения многослойного торсиона на его напряженно-деформированное состояние;

5. Расчетное исследование диссипативных характеристик торсионов из КМ различного поперечного сечения при различных видах колебаний;

6. Расчетное исследование теплообразования в слоях резины торсиона и его влияние на усталостное расслоение.

Практическая ценность. Полученные и использованные в работе алгоритмы оптимального проектирования и выбора рациональных параметров слоистой балки типа торсион могут быть применены на стадии первоначального проектирования торсионной втулки НВ перспективных вертолетов. Результаты исследований позволяют прогнозировать нагруженность, динамические характеристики и ресурс торсионов из КМ различного поперечного сечения и конструктивного исполнения.

Достоверность результатов. Полученные результаты диссертации подтверждаются корректностью постановок задач, решением тестовых аналитических задач с использованием различных теорий, а также сравнение результатов, полученных аналитическим путем с результатами, полученными при помощи программ МКЭ типа NASTRAN и опытными данными.

Внедрение. Результаты диссертационной работы и расчетный метод выбора рациональных проектных параметров упругого торсиона из КМ различного поперечного сечения втулки несущего винта вертолета с учетом эксплуатационных случаев были внедрены в учебный процесс по курсу лекций «Конструирование агрегатов вертолетов» на кафедре 102 «Проектирование вертолетов» Московского авиационного института. Получено заключение ОАО «Московский вертолетный завод им. M.JL Миля» о практической ценности результатов диссертации.

Публикации и апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XV и XVI Международном Симпозиуме им. A.F. Горшкова «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (г. Ярополец, 2009-2010 гг.), IX Форуме Российского вертолетного общества, посвященного 100-летию со дня рождения M.JI. Миля и 80-летию МАИ (Москва, МАИ, 2010 г.), Научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике-2010» ( Москва, МАИ, 2010 г.). По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ, из них три работы опубликованы в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных кандидатских результатов. Публикации в научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Башаров Е.А., Дудченко A.A. Учет стеснения депланации сечения при кручении слоистой балки типа торсион из композиционных материалов.-Электр. журнал Труды МАИ, Вып.37, 2010. - 9 С.

2. Башаров Е.А., Дудченко A.A. Исследование упругой линии трехслойной балки с существенно различающейся слоевой жесткостью.- Электр, журнал Труды МАИ, Вып. № 42, 2011. - 14 С.

3. Башаров Е.А., Дудченко A.A. Определение теплообразования в слоях резины слоистой балки типа торсион при циклическом нагружении.- Электр, журнал Труды МАИ, Вып. № 42, 2011. - 15 С.

В других журналах и материалах научных конференций:

4. Башаров Е.А. Выбор рациональных конструктивных параметров упругого торсиона из композиционных материалов. Сборник тезисов и статей «Материалы XV Международного Симпозиума им. А.Г. Горшкова» Т.1.-М: Изд-во «Типография ППАРАДИЗ», 2009. С. 19-20.

5. Башаров Е.А. Разработка методики учета стеснения депланации сечения при кручении упругой слоистой балки из композиционных материалов. Сборник тезисов и статей «Материалы XVI Международного Симпозиума им. А.Г. Горшкова» T.l.-Ч: ГУП «ИПКЧувашия», 2010. С.17-18.

6. Башаров Е.А. Разработка методики учета стеснения депланации сечения при кручении упругой слоистой балки из композиционных материалов. Сборник тезисов и статей «Материалы XVI Международного Симпозиума им. А.Г. Горшкова» Т.2.-Ч: ГУП «ИПК Чувашия», 2010. С. 117-120.

7. Башаров Е.А. Уточненный расчет слоистого торсиона из композиционных материалов бесшарнирной втулки несущего винта вертолета. Сборник трудов IX Форума Российского вертолетного общества, посвященного 100-летию со дня рождения M.JI. Миля и 80-летию МАИ. Изд-во МАИ. 2010. С.32-45.

8. Башаров Е.А. Расчет дополнительных напряжений при проектировании торсиона из композиционных материалов втулки несущего винта вертолета. Сборник тезисов докладов Научно-практической конференция молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике-2010». Изд-во МАИ. 2010. С.18.

Структура- и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (98 наименований), 100 рисунков, 30 таблиц, 3 приложений и содержит 200 страниц машинописного текста.